Duas colisões massivas de buracos negros detectadas com apenas um mês de diferença no final de 2024 estão remodelando a interpretação dos cientistas sobre os eventos cósmicos mais extremos do universo. Estas fusões gêmeas não apenas fornecem novos insights sobre a formação e evolução dos buracos negros, mas também confirmam as previsões da teoria geral da relatividade de Albert Einstein com uma precisão incomparável. As descobertas também podem ajudar os pesquisadores a descobrir partículas novas e não descobertas que poderiam extrair energia dos buracos negros.
Publicado em ” Comunicações do Jornal Astrofísicoa colaboração internacional LIGO-Virgo-KAGRA anunciou a detecção de dois sinais extraordinários de ondas gravitacionais de buracos negros com padrões de rotação incomuns registrados em outubro e novembro do ano passado.
Ondulações no espaço e no tempo revelam colisões cósmicas
Ondas gravitacionais são pequenas ondulações no espaço-tempo produzidas quando corpos celestes gigantescos colidem ou se fundem. Os sinais mais fortes vêm de colisões de buracos negros. O primeiro evento, GW241011 (11 de outubro de 2024), ocorreu a cerca de 700 milhões de anos-luz da Terra, quando dois buracos negros (com massas 20 e 6 vezes a massa do Sol, respectivamente) se fundiram. Acredita-se que o buraco negro maior seja um dos buracos negros de rotação mais rápida já observados.
Cerca de um mês depois, um segundo evento, GW241110 (10 de novembro de 2024), foi detectado a cerca de 2,4 bilhões de anos-luz de distância. Esta fusão envolveu buracos negros com massas de cerca de 17 e 8 massas solares. Ao contrário da maioria dos buracos negros, que giram na mesma direção da sua órbita, o buraco negro primário em GW241110 gira na direção oposta, marcando a primeira vez que esta configuração foi observada.
“Cada nova deteção fornece informações importantes sobre o Universo, lembrando-nos que cada fusão observada é tanto uma descoberta astrofísica como um laboratório valioso para explorar as leis fundamentais da física,” afirma Carl-Johan Haster, professor assistente de astrofísica na Universidade do Nevada, Las Vegas (UNLV). “Com base em observações anteriores, tais sistemas estelares binários foram previstos, mas esta é a primeira evidência direta da sua existência.”
Revelando a vida secreta da fusão de buracos negros
Einstein previu pela primeira vez a existência de ondas gravitacionais em 1916 como parte de sua teoria geral da relatividade. A sua existência foi indiretamente confirmada na década de 1970, mas os cientistas não os observaram diretamente até 2015, quando o observatório LIGO detectou ondas produzidas por fusões de buracos negros.
Hoje, a rede LIGO-Virgo-KAGRA opera como um sistema global de detectores avançados. A equipa está atualmente a conduzir a sua quarta campanha de observação, chamada O4, que começa em maio de 2023 e durará até meados de novembro de 2025. Cerca de 300 fusões de buracos negros foram detetadas até agora, incluindo o candidato a fusão de buracos negros descoberto durante esta execução em curso.
As recentes detecções de GW241011 e GW241110 mostram até que ponto a astronomia de ondas gravitacionais avançou na revelação do funcionamento interno dos sistemas de buracos negros. Ambos os eventos sugerem que alguns destes buracos negros podem ser de “segunda geração”, formados a partir de restos de fusões anteriores.
“GW241011 e GW241110 estão entre os mais novos das centenas de eventos observados pela rede LIGO-Virgo-KAGRA”, disse Stephen Fairhurst, professor da Universidade de Cardiff e porta-voz da LIGO Science Collaboration. “Como ambos os eventos apresentam um buraco negro que é muito mais massivo que o outro e gira rapidamente, eles fornecem evidências tentadoras de que estes buracos negros foram formados pela fusão de buracos negros anteriores.”
Os investigadores notaram alguns padrões interessantes, incluindo grandes diferenças de massa entre pares de buracos negros – o buraco negro maior tem quase o dobro da massa do seu companheiro – e direções de rotação incomuns. Estas características sugerem que os buracos negros se formam através de um processo chamado fusões estratificadas, no qual buracos negros em regiões densamente povoadas, como aglomerados de estrelas, colidem múltiplas vezes durante a sua vida.
“Estas duas fusões binárias de buracos negros fornecem-nos algumas das informações mais interessantes sobre o início da vida dos buracos negros”, disse Thomas Callister, co-autor e professor assistente no Williams College. “Dizem-nos que alguns buracos negros existem não apenas como parceiros isolados, mas provavelmente como membros de populações densas e dinâmicas. No futuro, esperamos que estes eventos e outras observações nos permitam aprender cada vez mais sobre os ambientes astrofísicos em que estas populações existem.”
Testando as teorias de Einstein sob condições extremas
O GW241011 foi detectado com uma precisão extremamente elevada, dando aos investigadores a oportunidade de testar a teoria geral da relatividade de Einstein num dos ambientes mais extremos alguma vez medidos. Como o evento foi capturado de forma tão clara, os cientistas podem comparar os resultados com as previsões das equações de Einstein e com a solução de Roeckel que descreve um buraco negro em rotação.
A rápida rotação do GW241011 distorce ligeiramente a sua forma, deixando uma impressão digital única nas ondas gravitacionais. A análise dos dados mostrou uma correspondência excepcional com o modelo de Kerr, confirmando as previsões de Einstein com precisão recorde.
Diferenças significativas nas massas dos buracos negros em colisão também produzem “harmônicos mais elevados”, tons semelhantes aos ouvidos em instrumentos musicais. Esta característica rara foi claramente visível apenas pela terceira vez, proporcionando mais um teste bem-sucedido da teoria de Einstein.
“A intensidade de GW241011, combinada com as propriedades extremas da sua composição de buraco negro, proporciona um meio sem precedentes de testar a nossa compreensão do próprio buraco negro,” disse Hastert. “Sabemos agora que os buracos negros têm a forma tal como Einstein e Kerr previram, e a relatividade geral pode acrescentar mais dois pontos à sua lista de muitos sucessos. Esta descoberta também significa que estamos mais sensíveis do que nunca a qualquer nova física que possa ir além da teoria de Einstein.”
Procurando pistas sobre novas partículas
Buracos negros em rotação rápida como os observados neste estudo têm agora outra aplicação – a física de partículas. Os cientistas podem usá-los para testar se certas hipotéticas partículas elementares leves existem e quão massivas elas são.
Essas partículas, conhecidas como bósons ultraleves, são previstas por teorias além do Modelo Padrão da física de partículas, que descreve e classifica todas as partículas elementares conhecidas. Se existissem bósons ultraleves, eles poderiam extrair energia rotacional dos buracos negros. A quantidade de energia extraída e o quanto a rotação do buraco negro diminui ao longo do tempo depende da massa dessas partículas, mas ainda não está claro.
As observações mostram que o buraco negro massivo no sistema binário que emite GW241011 continuou a girar rapidamente mesmo milhões ou milhares de milhões de anos após a sua formação, excluindo uma vasta gama de massas de bósons ultraleves.
“As actualizações planeadas para os detectores LIGO, Virgo e KAGRA permitir-nos-ão observar melhor sistemas semelhantes, permitindo-nos compreender melhor a física fundamental que governa estes binários de buracos negros e os mecanismos astrofísicos que levam à sua formação”, disse Fairhurst.
Joe Giaime, diretor do Observatório Livingston do LIGO, observou que os cientistas e engenheiros do LIGO fizeram melhorias no detector nos últimos anos, permitindo medições precisas das formas de onda mescladas para permitir as observações delicadas de GW241011 e GW241110.
“A maior sensibilidade não só permite que o LIGO detecte mais sinais, mas também fornece uma maior visão dos sinais que detectamos”, disse ele.
