Traduzido por Julio Batista
Original de Paul Sutter para a Live Science
Os buracos negros são alguns dos objetos mais enigmáticos do Universo. Isso ocorre em parte porque as equações da relatividade geral que usamos para entendê-los falham ao estudar os centros ultradensos dos buracos negros. No entanto, um novo paper mostra como os astrônomos poderiam um dia superar esse desafio usando ondas gravitacionais para “ver” dentro de buracos negros em fusão e aprender do que eles realmente são feitos.
Na teoria da relatividade geral de Einstein, os buracos negros são objetos que impedem a fuga da luz devido à sua gravidade extremamente forte. O limite de um buraco negro é conhecido como horizonte de eventos – se você passar além desse limite, jamais conseguirá sair. A relatividade também prevê que os centros dos buracos negros são pontos de densidades infinitamente altas, conhecidas como singularidades.
A presença de singularidades significa que as próprias equações estão falhando; infinitos começam a aparecer na matemática, o que impede cálculos adicionais. Portanto, sabemos que a relatividade geral é incompleta. Deve haver uma teoria mais fundamental, provavelmente ligada à física quântica de escalas subatômicas, que possa descrever adequadamente o que está acontecendo no centro de um buraco negro.
Ainda não temos nenhuma teoria quântica completa da gravidade, mas temos várias candidatas. Por exemplo, existe a teoria das cordas, que prevê que todas as partículas do Universo são na verdade feitas de cordas vibratórias ultraminúsculas. Há também a gravidade quântica em loop, que diz que o próprio espaço-tempo é feito de pedaços minúsculos e indivisíveis, como pixels em uma tela de computador.
Ambas as abordagens podem substituir a singularidade tradicional no centro de um buraco negro por outra coisa. Mas quando você substitui a singularidade, geralmente também elimina o horizonte de eventos. Isso porque o horizonte de eventos é causado pela atração gravitacional infinita da singularidade. Sem a singularidade, a atração gravitacional é apenas incrivelmente forte, mas não infinita, e assim você conseguiria escapar da vizinhança de um buraco negro, desde que fuja com velocidade suficiente.
Em algumas variações da teoria das cordas, a singularidade e os horizontes de eventos são substituídos por redes entrelaçadas de nós emaranhados de espaço-tempo. Na gravidade quântica em loop, a singularidade se torna uma partícula extremamente pequena e extremamente densa de matéria exótica. Em outros modelos, todo o buraco negro é substituído por uma fina camada de matéria ou por aglomerados de novos tipos de partículas especulativas.
Microscópios gravitacionais e o mistério dos buracos negros
Com os buracos negros conhecidos mais próximos a milhares de anos-luz de distância, é difícil testar esses modelos. Mas ocasionalmente os buracos negros nos enviam informações cruciais, especialmente quando eles se fundem. Quando o fazem, liberam inundações de ondas gravitacionais, que são ondulações no espaço-tempo que podem ser detectadas com instrumentos sensíveis na Terra, como o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser (LIGO) e os experimentos VIRGO.
Até agora, todas as observações de fusões de buracos negros concordam com o modelo comum de buracos negros previsto pela relatividade geral. Mas isso pode mudar no futuro, à medida que novas gerações de observatórios de ondas gravitacionais estiverem disponíveis, sugere um paper publicado em 30 de novembro no periódico de pré-publicações arXiv.
A chave não são as ondas gravitacionais emitidas durante a fusão em si, mas aquelas emitidas logo após, de acordo com o paper. Quando a fusão termina e os dois buracos negros se tornam um único objeto, a nova massa fundida vibra com uma quantidade intensa de energia, como um sino tocando. Esta fase “pós-fusão” tem uma assinatura de onda gravitacional distinta.
Ao estudar essas assinaturas, os pesquisadores podem um dia ser capazes de dizer quais teorias de buracos negros se sustentam e quais não se sustentam. Cada modelo de buraco negro prevê diferenças nas ondas gravitacionais emitidas durante a fase de pós-fusão, que decorrem de diferenças na estrutura interior do buraco negro. Com diferentes estruturas de buracos negros, surgem diferentes tipos de ondas gravitacionais.
Os astrônomos esperam que a próxima geração de detectores de ondas gravitacionais seja sensível o suficiente para detectar essas pequenas mudanças previstas na assinatura da pós-fusão. Com isso, alterariam radicalmente nossa concepção de buracos negros e nos levariam a desvendar seus mistérios mais profundos.
