‘Carnavais’ de buracos negros podem produzir os sinais vistos por detectores de ondas gravitacionais

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Impressão artística de uma coleção de buracos negros no núcleo de um aglomerado estelar. (Créditos: ESA/Hubble, N. Bartmann)

Traduzido por Julio Batista
Original de OzGrav

Desde 2015, a Colaboração LIGO-Virgo-KAGRA detectou cerca de 85 pares de buracos negros colidindo entre si. Agora sabemos que Einstein estava certo: as ondas gravitacionais são geradas por esses sistemas à medida que entram em uma espiral, distorcendo o espaço-tempo com suas massas colossais à medida que avançam nessa interação. Também sabemos que essas colisões cósmicas acontecem com frequência: à medida que a sensibilidade dos detectores melhoram, esperamos detectar esses eventos quase diariamente na próxima execução de observação, a partir de 2023. O que não sabemos – ainda – é o que causa essas colisões.

Os buracos negros se formam quando estrelas massivas morrem. Normalmente, essa morte é violenta, uma explosão extrema de energia que destruiria ou afastaria objetos próximos. Portanto, é difícil formar dois buracos negros que estejam próximos o suficiente para se fundirem dentro da idade do Universo. Uma maneira de fundi-los é reuni-los em ambientes densamente povoados, como os centros de aglomerados estelares.

Em aglomerados estelares, os buracos negros que começam muito distantes podem ser reunidos por meio de dois mecanismos. Primeiro, há a segregação de massa, que leva os objetos mais massivos a afundar no meio do poço gravitacional potencial. Isso significa que qualquer buraco negro disperso pelo aglomerado deve acabar no meio, formando um “núcleo escuro” invisível. Em segundo lugar, existem interações dinâmicas. Se dois buracos negros formarem pares no aglomerado, suas interações podem ser influenciadas pela força gravitacional de objetos próximos. Essas influências podem remover a energia orbital do sistema ninário e aproximá-lo.

A segregação de massa e as interações dinâmicas que podem ocorrer em aglomerados estelares podem deixar suas assinaturas nas propriedades dos sistemas binários em fusão. Uma propriedade chave é a forma da órbita do sistema binário pouco antes de se fundir. Como as fusões em aglomerados de estrelas podem acontecer muito rapidamente, as formas orbitais podem ser bastante alongadas – menos como o círculo calmo e sereno que a Terra traça ao redor do Sol e mais como a elipse achatada que o cometa Halley percorre em suas visitas dentro e fora do Sistema Solar. Quando dois buracos negros estão em uma órbita tão alongada, seu sinal de onda gravitacional tem modulações características e pode ser estudado em busca de pistas de onde os dois objetos se encontraram.

Uma equipe de pesquisadores e ex-alunos da OzGrav está trabalhando em conjunto para estudar as formas orbitais de sistemas binários de buracos negros. O grupo, liderado pela Dra. Isobel Romero-Shaw (anteriormente da Universidade Monash, agora sediada na Universidade de Cambridge), juntamente com os professores Paul Lasky e Eric Thrane da Universidade Monash, descobriram que alguns dos sistemas binários observados pelo LIGO-Virgo-KAGRA provavelmente têm órbitas alongadas, indicando que podem ter colidido em um aglomerado estelar densamente povoado. Suas descobertas indicam que uma grande parte das colisões de buracos negros binários observadas – pelo menos 35% – podem ter sido forjadas em aglomerados de estrelas.

“Gosto de pensar em sistemas binários de buracos negros como parceiros de dança”, explicou a Dra. Romero-Shaw. “Quando um par de buracos negros evolui juntos e isolados, eles são como um casal tocando uma valsa lenta sozinho no salão de baile. É muito controlado e cuidadoso; bonito, mas nada inesperado. Contrastando com isso está a atmosfera de carnaval dentro de um aglomerado de estrelas, onde você pode ter muitas danças diferentes acontecendo simultaneamente; grandes e pequenos grupos de dança, um samba descontraído e muitas surpresas.” Embora os resultados do estudo não possam nos dizer – ainda – exatamente onde os sistemas binários de buracos negros observados estão se fundindo, eles sugerem que os carnavais de buracos negros nos centros de aglomerados de estrelas podem ser uma contribuição importante.