Colisões de buracos negros gêmeos colocam a relatividade geral de Einstein em seu teste mais extremo

Em um estudo publicado em 28 de outubro em As cartas do jornal astrofísicoa colaboração internacional LIGO-Virgo-KAGRA anunciou a detecção de dois notáveis ​​​​sinais 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 que ocorrem quando objetos 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), aconteceu a cerca de 700 milhões de anos-luz da Terra, quando dois buracos negros – cerca de 20 e 6 vezes a massa do nosso Sol – se fundiram. O maior deles foi identificado como um dos buracos negros de rotação mais rápida já observados.

Aproximadamente 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 pesando aproximadamente 17 e 8 massas solares. Ao contrário da maioria dos buracos negros que giram na mesma direção da sua órbita, o buraco negro principal em GW241110 girou na direção oposta, marcando a primeira observação de tal configuração.

“Cada nova deteção fornece informações importantes sobre o Universo, lembrando-nos que cada fusão observada é tanto uma descoberta astrofísica, mas também um laboratório inestimável para sondar as leis fundamentais da física,” disse o coautor Carl-Johan Haster, professor assistente de astrofísica na Universidade de Nevada, Las Vegas (UNLV). “Binários como estes foram previstos com base em observações anteriores, mas esta é a primeira evidência direta da sua existência.”

Revelando as vidas secretas 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 criadas pela fusão de um buraco negro.

Hoje, a rede LIGO-Virgo-KAGRA opera como um sistema global de detectores avançados. A equipa está atualmente na sua quarta campanha de observação, conhecida como O4, que começou em maio de 2023 e continuará até meados de novembro de 2025. Até à data, foram detetadas cerca de 300 fusões de buracos negros, incluindo candidatos encontrados durante esta operação em curso.

A recente detecção de GW241011 e GW241110 demonstra até que ponto a astronomia de ondas gravitacionais avançou na descoberta 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 eventos mais novos entre as centenas que a rede LIGO-Virgo-KAGRA observou”, disse Stephen Fairhurst, professor da Universidade de Cardiff e porta-voz da Colaboração Científica LIGO. “Com ambos os eventos tendo um buraco negro que é significativamente mais massivo que o outro e gira rapidamente, eles fornecem evidências tentadoras de que esses buracos negros foram formados a partir de fusões anteriores de buracos negros.”

Os investigadores notaram vários padrões intrigantes, incluindo grandes diferenças de massa entre os buracos negros emparelhados – o maior sendo quase duas vezes mais massivo que o seu companheiro – e direções de rotação incomuns. Estas características sugerem que os buracos negros se formaram através de um processo denominado fusão hierárquica, no qual buracos negros em regiões densamente povoadas, como aglomerados de estrelas, colidem múltiplas vezes ao longo das suas vidas.

“Estas duas fusões de buracos negros binários oferecem-nos alguns dos insights mais interessantes sobre as vidas anteriores dos buracos negros”, disse Thomas Callister, co-autor e professor assistente no Williams College. “Ensinam-nos que alguns buracos negros existem não apenas como parceiros isolados, mas provavelmente como membros de uma multidão densa e dinâmica. No futuro, a esperança é que estes eventos e outras observações nos ensinem cada vez mais sobre os ambientes astrofísicos que acolhem estas multidões.”

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 num dos ambientes mais extremos alguma vez medidos. Como este evento 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 que descreve buracos negros em rotação.

A rápida rotação do GW241011 distorceu 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.

A diferença significativa nas massas dos buracos negros em colisão também produziu um “harmônico mais elevado”, uma espécie de harmônico semelhante aos ouvidos 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, proporcionam meios sem precedentes para testar a nossa compreensão dos próprios 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 que possa estar além da teoria de Einstein.”

Procurando pistas para novas partículas

Buracos negros em rotação rápida como os observados neste estudo têm agora ainda outra aplicação – na física de partículas. Os cientistas podem usá-los para testar se certas partículas elementares hipotéticas de peso leve existem e quão massivas elas são.

Essas partículas, chamadas de bósons ultraleves, são previstas por algumas teorias que vão além do Modelo Padrão da física de partículas, que descreve e classifica 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 emitiu GW241011 continua a rodar rapidamente, mesmo milhões ou milhares de milhões de anos depois de se ter formado, exclui uma vasta gama de massas de bósons ultraleves.

“Atualizações planeadas para os detetores LIGO, Virgo e KAGRA permitirão novas observações de sistemas semelhantes, permitindo-nos compreender melhor tanto a física fundamental que governa estes binários de buracos negros como os mecanismos astrofísicos que levam à sua formação,” disse Fairhurst.

Joe Giaime, chefe do Observatório LIGO Livingston, observou que os cientistas e engenheiros do LIGO fizeram melhorias nos detectores nos últimos anos, o que resultou em medições precisas de formas de onda de fusão que permitem o tipo de observações sutis que eram necessárias para GW241011 e GW241110.

“Uma melhor sensibilidade não só permite que o LIGO detecte muito mais sinais, mas também permite uma compreensão mais profunda daqueles que detectamos”, disse ele.