A descoberta do buraco negro confirma que Einstein e Hawking estavam certos

As novas medições foram feitas pelo Observatório de Ondas Gravitacionais de Interferômetro a laser (LIGO), com análises lideradas pelos astrofísicos Maximiliano ISI e Will Farr do Centro de Astrofísica Computacional do Instituto Flatiron na cidade de Nova York. Os resultados revelam informações sobre as propriedades dos buracos negros e a natureza fundamental do espaço-tempo, sugerindo como a física quântica e a relatividade geral de Einstein se encaixam.

“Esta é a visão mais clara já da natureza dos buracos negros”, diz ISI, que também é professor assistente da Universidade de Columbia. “Encontramos algumas das evidências mais fortes de que os buracos negros astrofísicos são os buracos negros previstos da teoria da relatividade geral de Albert Einstein”.

Os resultados foram relatados em um artigo publicado em 10 de setembro em Cartas de revisão física pela colaboração Ligo-Virgo-Kagra.

Para estrelas massivas, os buracos negros são o estágio final em sua evolução. Buracos negros são tão densos que nem mesmo a luz não pode escapar de sua gravidade. Quando dois buracos negros colidem, o evento distorce o próprio espaço, criando ondulações no espaço-tempo que se espalham pelo universo, como ondas sonoras tocando de uma campainha atingida.

Essas ondulações deformadoras, chamadas ondas gravitacionais, podem dizer aos cientistas muito sobre os objetos que as criaram. Assim como um grande sino de ferro faz sons diferentes do que uma campainha de alumínio menor, o “som” que uma fusão do buraco negro faz é específico para as propriedades dos buracos negros envolvidos.

Os cientistas podem detectar ondas gravitacionais com instrumentos especiais em observatórios como o LIGO nos Estados Unidos, Virgem na Itália e Kagra no Japão. Esses instrumentos medem cuidadosamente quanto tempo leva um laser para percorrer um determinado caminho. À medida que as ondas gravitacionais se estendem e comprimem espaço-tempo, a duração do instrumento e, portanto, o tempo de viagem da luz, muda minuciosamente. Ao medir essas pequenas mudanças com grande precisão, os cientistas podem usá -los para determinar as características dos buracos negros.

As ondas gravitacionais recém -relatadas foram criadas por uma fusão que formava um buraco negro com a massa de 63 sóis e girando a 100 revoluções por segundo. As descobertas vêm 10 anos após a LIGO fazer a primeira detecção de fusão da Black Hole. Desde a descoberta histórica, as melhorias nos equipamentos e técnicas permitiram aos cientistas ter uma visão muito mais clara desses eventos de agitação.

“O novo par de buracos negros é quase gêmeos da primeira detecção histórica em 2015”, diz ISI. “Mas os instrumentos são muito melhores, então somos capazes de analisar o sinal de maneiras que não eram possíveis há 10 anos”.

Com esses novos sinais, o ISI e seus colegas deram uma olhada completa na colisão desde o momento em que os buracos negros se interessaram pela primeira vez até as reverberações finais enquanto o buraco negro mesclado se estabeleceu em seu novo estado, o que aconteceu apenas milissegundos após o primeiro contato.

Anteriormente, as reverberações finais eram difíceis de capturar, pois nesse ponto, o toque do buraco negro seria muito fraco. Como resultado, os cientistas não conseguiram separar o toque da colisão do próprio buraco negro final.

Em 2021, o ISI liderou um estudo que mostra um método de ponta que ele, Farr e outros desenvolveram para isolar certas frequências-ou ‘tons’-usando dados da fusão do buraco negro de 2015. Esse método se mostrou poderoso, mas as medições de 2015 não foram claras o suficiente para confirmar as principais previsões sobre buracos negros. Com as novas medições mais precisas, no entanto, o ISI e seus colegas estavam mais confiantes de que haviam isolado com sucesso o sinal de milissegundos da final, estabeleceu o buraco negro. Isso permitiu testes mais inequívocos da natureza dos buracos negros.

“Dez milissegundos parecem muito curtos, mas nossos instrumentos são muito melhores agora que isso é tempo suficiente para realmente analisarmos o toque do buraco negro final”, diz ISI. “Com essa nova detecção, temos uma visão requintadamente detalhada do sinal antes e depois da fusão do buraco negro”.

As novas observações permitiram aos cientistas testar uma conjectura importante que datam de décadas de que os buracos negros são objetos fundamentalmente simples. Em 1963, o físico Roy Kerr usou a relatividade geral de Einstein para descrever matematicamente buracos negros com uma equação. A equação mostrou que os buracos pretos astrofísicos podem ser descritos por apenas duas características: rotação e massa. Com os novos dados de qualidade superior, os cientistas foram capazes de medir a frequência e a duração do toque do buraco negro mesclado com mais precisão do que nunca. Isso lhes permitiu ver que, de fato, o buraco negro mesclado é um objeto simples, descrito apenas por sua massa e giro.

As observações também foram usadas para testar uma idéia fundamental proposta pelo Stephen Hawking chamado Teorema da Área de Hawking. Ele afirma que o tamanho do horizonte de eventos de um buraco negro – a linha que nada, nem mesmo a luz, pode retornar – só pode crescer. Testar se esse teorema aplica requer medições excepcionais de buracos negros antes e depois da fusão. Após a primeira detecção de fusão de buracos negros em 2015, Hawking se perguntou se a assinatura da fusão poderia ser usada para confirmar seu teorema. Na época, ninguém pensou que era possível.

Em 2019, um ano após a morte de Hawking, os métodos haviam melhorado o suficiente para que uma primeira confirmação provisória veio usando técnicas desenvolvidas pela ISI, FARR e colegas. Com quatro vezes melhor resolução, os novos dados dão aos cientistas muito mais confiança de que o teorema de Hawking está correto.

Ao confirmar o teorema de Hawking, os resultados também sugerem conexões com a Segunda Lei da Termodinâmica. Esta lei afirma que uma propriedade que mede o distúrbio de um sistema, conhecida como entropia, deve aumentar, ou pelo menos permanecer constante, com o tempo. A compreensão da termodinâmica dos buracos negros pode levar a avanços em outras áreas da física, incluindo a gravidade quântica, que visa mesclar a relatividade geral com a física quântica.

“É realmente profundo que o tamanho do horizonte de eventos de um buraco negro se comporte como entropia”, diz ISI. “Ele tem implicações teóricas muito profundas e significa que alguns aspectos dos buracos negros podem ser usados ​​para investigar matematicamente a verdadeira natureza do espaço e do tempo”.

Muitos suspeitam que as futuras detecções de fusão de buracos negros revelarão apenas mais sobre a natureza desses objetos. Na década seguinte, espera -se que os detectores se tornem 10 vezes mais sensível do que hoje, permitindo testes mais rigorosos das características do buraco negro.

“Ouvir os tons emitidos por esses buracos negros é a nossa melhor esperança de aprender sobre as propriedades do extremo espaço que produzem”, diz Farr, que também é professor da Stony Brook University. “E à medida que construímos mais e melhores detectores de ondas gravitacionais, a precisão continuará a melhorar”.

“Por tanto tempo, esse campo tem sido pura especulação matemática e teórica”, diz ISI. “Mas agora estamos em uma posição de realmente ver esses processos incríveis em ação, que destaca quanto progresso houve – e continuará sendo – nesse campo”.