Colisões duplas de buracos negros colocaram a teoria da relatividade geral de Einstein à prova severa
Duas colisões de buracos negros supermassivos detectadas com um mês de intervalo no final de 2024 estão remodelando a forma como os cientistas interpretam os eventos cósmicos mais intensos do Universo. Estas fusões duplas não só fornecem uma nova visão sobre como os buracos negros se formam e evoluem, mas também confirmam as previsões da teoria da relatividade geral de Albert Einstein com uma precisão incomparável. As descobertas podem ajudar os investigadores a encontrar partículas novas e não descobertas que podem extrair energia dos buracos negros.
Em um estudo publicado em 28 de outubro Cartas de diários astrofísicosA colaboração internacional LIGO-Virgo-KAGRA anunciou a detecção de dois sinais significativos de ondas gravitacionais de buracos negros com formas espirais incomuns, registrados em outubro e novembro do ano passado.
Ondulações no espaço e no tempo revelam conflitos cósmicos
Ondas gravitacionais são pequenas ondulações no espaço-tempo que ocorrem quando corpos celestes massivos colidem ou se fundem. Os sinais mais fortes vêm da colisão de buracos negros. O primeiro evento, GW241011 (11 de outubro de 2024), ocorreu quando dois buracos negros – 20 e 6 vezes a massa do nosso Sol – se fundiram a cerca de 700 milhões de anos-luz da Terra. O gigante foi identificado como 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 2,4 bilhões de anos-luz de distância. Esta fusão inclui buracos negros com massas entre aproximadamente 17 e 8 massas solares. Ao contrário da maioria dos buracos negros que giram na mesma direção das suas órbitas, o buraco negro principal em GW241110 gira na direção oposta, marcando a primeira observação de tal estrutura.
“Cada nova deteção fornece informações importantes sobre o Universo, lembrando-nos que cada ligação observada é uma descoberta astrofísica, mas também um laboratório inestimável para explorar as leis fundamentais da física”, disse o coautor Karl-Johan Haster. “Tais binários foram previstos por observações anteriores, 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 provisoriamente confirmada na década de 1970, mas os cientistas não os observaram diretamente até 2015, quando o observatório LIGO detectou as ondas criadas pela fusão do buraco negro.
Hoje, a rede LIGO-Virgo-KAGRA funciona como um sistema global de detectores avançados. A equipa está atualmente na sua quarta campanha de observação, conhecida como O4, que terá início em maio de 2023 e continuará até meados de novembro de 2025. Até à data, foram detetadas cerca de 300 fusões de buracos negros.
As recentes detecções de GW241011 e GW241110 demonstram até que ponto a astronomia de ondas gravitacionais avançou para desvendar o funcionamento interno dos sistemas de buracos negros. Ambos os casos sugerem que alguns destes buracos negros são de “segunda geração”, formados a partir de restos de fusões anteriores.
“GW241011 e GW241110 são os eventos mais novos entre várias centenas de eventos na rede LIGO-Virgo-KAGRA”, disse Stephen Fairhurst, professor da Universidade de Cardiff e porta-voz da LIGO Science Partnership. “Como ambos os eventos têm um buraco negro que é significativamente mais massivo e gira mais rápido que o outro, eles fornecem evidências de que estes buracos negros se formaram a partir de fusões anteriores de buracos negros.”
Os investigadores notaram uma série de padrões intrigantes, incluindo diferenças de massa entre pares de buracos negros – o maior tem o dobro da massa do seu companheiro – e direções de rotação incomuns. Estas propriedades sugerem que os buracos negros se formam através de um processo denominado fusão hierárquica, no qual buracos negros em regiões densamente povoadas, como aglomerados de estrelas, colidem muitas vezes durante a sua vida.
“Estas duas fusões de buracos negros binários dão-nos algumas informações surpreendentes sobre o início da vida dos buracos negros,” disse Thomas Callister, co-autor e professor assistente no Williams College. “Eles ensinam-nos que alguns buracos negros podem não ser parceiros isolados, mas sim membros de um aglomerado denso e dinâmico. No futuro, a esperança é que estes eventos e outras observações nos ensinem mais sobre os ambientes astrofísicos que acolhem estes aglomerados.”
Testando a teoria de Einstein sob condições extremas
A extraordinária precisão da detecção do GW241011 deu aos investigadores a oportunidade de testar a relatividade geral de Einstein no ambiente mais extremo alguma vez medido. Como o fenómeno foi capturado de forma tão clara, os cientistas puderam comparar os resultados com as previsões das equações de Einstein e a solução de Roy Kerr para descrever buracos negros em rotação.
A rápida rotação do GW241011 distorceu ligeiramente a sua forma, deixando uma impressão digital distinta nas ondas gravitacionais. A análise dos dados mostrou um ajuste excepcional com o modelo de Kerr, confirmando as previsões de Einstein com precisão recorde.
A diferença significativa nas massas dos buracos negros em colisão criou um “harmônico mais elevado”, uma espécie de harmônico semelhante ao ouvido em instrumentos musicais. Esta característica rara, vista claramente apenas pela terceira vez, constitui outro teste bem-sucedido da teoria de Einstein.
“A força do GW241011, combinada com as propriedades extremas dos seus componentes de buraco negro, proporciona formas sem precedentes de testar a nossa compreensão dos buracos negros,” afirma Haster. “Sabemos agora que os buracos negros têm a forma prevista por Einstein e Kerr, 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 além da teoria de Einstein.”
Procurando pistas para novas partículas
Buracos negros de rotação rápida como os observados neste estudo têm agora outra aplicação – na física de partículas. Os cientistas podem usá-los para testar se certas hipotéticas partículas elementares leves existem e quão massivas elas são.
Essas partículas, chamadas bósons ultraleves, são previstas por certas teorias que vão além do modelo padrão da física de partículas, que descreve e caracteriza todas as partículas elementares conhecidas. Se existirem bósons ultraleves, eles podem extrair energia rotacional dos buracos negros. Quanta energia é extraída e quanto a rotação dos buracos negros diminui ao longo do tempo depende da massa dessas partículas, que ainda é desconhecida.
A observação de que o buraco negro massivo no sistema binário que emite GW241011 ainda gira rapidamente milhões ou milhares de milhões de anos após a sua formação, exclui uma vasta gama de massas de bósons ultraleves.
“Atualizações planeadas para os detetores LIGO, Virgo e KAGRA permitirão novas observações de sistemas semelhantes para compreender melhor tanto a física fundamental que governa estes binários de buracos negros como os mecanismos astrofísicos que levam à sua formação,” disse Fairhurst.
O líder do local do Observatório LIGO Livingston, Joe Giamey, disse nos últimos anos que os cientistas e engenheiros do LIGO melhoraram os detectores, levando a medições precisas das formas de onda de acoplamento que permitem as observações delicadas necessárias para GW241011 e GW241110.
“A melhor sensibilidade permite ao LIGO não apenas detectar muito mais sinais, mas também uma compreensão mais profunda do que encontramos”, disse ele.
