Descobertas do LIGO irão ajudar os cientistas a executar autópsias estelares nos buracos negros que se fundiram

Agora que os astrônomos detectaram ondas gravitacionais, eles estão buscando as origens por trás dos pares de buracos negros que dão origem a elas.

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A ilustração mostra dois buracos negros orbitando um ao outro em rota de colisão. Crédito: SXS.

Artigo traduzido de Scientific American. Autor: Shannon Salão.

Cerca de 1,2 bilhões de anos atrás, um par de buracos negros orbitando um ao outro giravam cada vez mais perto, emitindo tremores de energia gravitacional antes de colidir. Embora os buracos negros tivessem orbitado um ao outro provavelmente durante bilhões de anos, os cientistas do Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) só pegaram os últimos 0,2 segundos do evento. Testemunhar as ondas gravitacionais produzidas durante essa parcela de tempo, no entanto, marcou o início de uma nova era da astrofísica, e os cientistas agora querem entender como este par e outros como ele entram nessas órbitas. Os pesquisadores estão partindo para uma nova busca para localizar exatamente onde estas fusões de buracos negros ocorrem através da construção de novos modelos teóricos e novos observatórios em todo o mundo.

Para Astrid Lamberts, astrônoma do California Institute of Technology, essa jornada começou com um café. Em fevereiro, quando o LIGO anunciou a sua primeira detecção de ondas gravitacionais, ela animadamente discutiu os detalhes do evento com seus colegas. Mas ela tinha uma pergunta ardente: em que tipo de galáxia essa fusão ocorre? Lamberts suspeita que a resposta pode estar nas pesadas massas de ambos os buracos negros – ambos com cerca de 30 massas solares – e que provavelmente se formaram a partir da morte de estrelas de baixa metalicidade – isto é, estrelas com menos elementos pesados, chamados metais (a metalicidade de uma estrela muda a sua química, e as estrelas com mais metais tendem a expelir mais de sua massa quando morrem, deixando para trás buracos negros com menos massa). Estrelas de baixa metalicidade são conhecidas por preencher as duas pequenas galáxias próximas e grandes galáxias distantes, mas ela não sabia se teria a vantagem na produção de sinal do LIGO. Então Lamberts chamou seu colega Philip Hopkins – especialista em evolução galática – mas ele não poderia dar uma resposta fácil. O fato de não haver solução clara, a obrigou a cavar mais fundo.

Em um artigo publicado recentemente no arXiv e submetido ao Monthly Notices da Royal Astronomical Society Letters, a equipe determinou as características mais prováveis da galáxia hospedeira com base nas massas dos dois buracos negros individualmente. A chave veio quando Lamberts e seus colegas incorporaram um segundo aspecto em seu modelo: a janela de tempo a partir de quando essas estrelas formaram os buracos negros. “Se eles se formaram muito recentemente, eles não teriam tido tempo para evoluir como buracos negros e ainda se fundir”, diz Hopkins. “E se eles se formaram há mais tempo, eles teriam se fundido muito antes.” Em vez disso, há uma série de locais em que essas estrelas poderiam ter se formado. Assim, a equipe olhou para cada um desses locais e determinou quais tipos de galáxias continham a maioria das estrelas com baixa metalicidade.

No final do dia, Lamberts e seus colegas descobriram duas possibilidades viáveis. Ou as estrelas progenitoras se formaram de oito bilhões a 10 bilhões de anos atrás e se fundiram em uma galáxia tão pesada quanto a Via Láctea, ou se formaram entre cinco bilhões e oito bilhões de anos atrás e se fundiram em uma galáxia anã, cerca de 1.000 vezes menos massiva que a Via Láctea. Neste momento, a equipe é incapaz de escolher um dos cenários, mas Hopkins suspeita que eles serão capazes de fazer essa escolha com mais detecções futuras.

Observatórios de ondas gravitacionais além dos detectores gêmeos do LIGO em Louisiana e Washington estão sendo construídos em todo o mundo para melhor enfrentar esta questão. O detector VIRGO na Itália deve começar seu funcionamento no início de 2017, o detector KAGRA no Japão começará as observações antes de 2018 e outro detector réplica do LIGO na Índia vai começar a operar antes de 2023. Nas duas primeiras detecções do LIGO (a primeira anunciada em fevereiro, e a segunda colisão de buracos negros anunciada no início deste mês), os cientistas puderam identificar locais das fusões dentro de 600 graus quadrados do céu – uma área tão grande que há dezenas de milhares de galáxias dentro dela que se encontram a cerca de 1,3 bilhões de anos-luz de distância. Mas com cinco detectores online em todo o mundo, os cientistas puderam medir a diferença nos tempos de chegada das ondas gravitacionais nos vários observatórios para identificar a localização concentrada em poucos graus quadrados na melhor das hipóteses, diminuindo esse intervalo por uma ordem de magnitude.

Mesmo assim, provavelmente ainda há milhares de candidatas a galáxias que poderiam acolher uma determinada colisão de buracos negros. Para identificar definitivamente a localização da colisão, os cientistas provavelmente irão precisar detectar uma contrapartida eletromagnética – isto é, um flash de luz, seja ela de raios-X, visível ou raios gama – ocorrendo ao mesmo tempo que as ondas gravitacionais. Os cientistas, então, seriam capazes de olhar para o ponto de origem da luz para localizar a galáxia hospedeira dos buracos negros (embora os cientistas não esperem que a maioria das colisões de buracos negros produza luz, eles poderiam ser surpreendidos). Por esta razão, a cada descoberta de ondas gravitacionais, os cientistas do LIGO imediatamente enviam coordenadas para dezenas de observatórios em todo o mundo para que eles, também, procurem um sinal. “Um dos principais objetivos da comunidade científica de ondas gravitacionais, é a capacidade de filtrar os dados quase em tempo real e rapidamente identificar sua localização [concentração] no céu”, diz o diretor-executivo do LIGO David Reitze. O astrofísico fica particularmente animado sobre como os cientistas podem usar versões futuras do modelo de Lamberts para melhor segmentar as pesquisas de acompanhamento. Se os astrônomos descobrirem a massa da galáxia hospedeira, por exemplo, eles podem priorizar algumas galáxias, diz ele.

Os resultados futuros devem lançar luz sobre como os pares de buracos negros se formaram. No momento, existem duas teorias principais: uma é que as duas estrelas que deram origem aos buracos negros nasceram, viveram e morreram juntas, sempre em órbita uma da outra antes de finalmente se fundir como buracos negros. A outra é que as estrelas progenitoras não nasceram juntas; morreram e se tornaram buracos negros longe uma da outra, então algo – talvez o empurrão gravitacional de um outro objeto – as empurrou para um abraço mortal. Determinar qual o mecanismo de formação provavelmente vai ajudar a identificar a galáxia hospedeira da fusão. Se esses eventos apontarem para galáxias que tenham um elevado número de aglomerados estelares, por exemplo, onde os impulsos gravitacionais podem facilmente unir pares afastados de buracos negros, o segundo cenário é mais provável. Se, no entanto, esses eventos implicarem galáxias que contenham poucos aglomerados estelares, então é mais provável que as estrelas tenham ficado juntas ao longo das suas vidas.

A corrida para descobrir a localização e história de fundo desses pares de buracos negros é um novo desafio emocionante para muitos cientistas que esperavam ansiosamente as primeiras descobertas de ondas gravitacionais do LIGO. “Nós ficamos no deserto – se me permite usar uma analogia bíblica – durante cerca de 40 anos”, diz Reitze. “Literalmente, passaram-se 40 anos desde que o LIGO foi concebido até fazermos uma detecção. E agora acabamos de entrar na terra prometida. Então, temos de explorar a terra prometida. Ninguém sabe o quão grande ela é. Ninguém sabe o que vamos encontrar. Mas tenho certeza de que vai ser algo emocionante.”

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