Medidas e Análises

As novas medições foram realizadas pelo Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferometria a Laser (LIGO), com análises lideradas pelos astrofísicos Maximiliano Isi e Will Farr do Centro de Astrofísica Computacional do Instituto Flatiron em Nova York. Os resultados revelam insights 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 da natureza dos buracos negros até agora,” diz Isi, que também é professor assistente na Universidade de Columbia. “Encontramos algumas das evidências mais fortes de que os buracos negros astrofísicos são os buracos negros previstos pela teoria da relatividade geral de Albert Einstein.”

Os resultados foram relatados em um artigo publicado em 10 de setembro na Physical Review Letters pela Colaboração LIGO-Virgo-KAGRA.

A Evolução dos Buracos Negros

Para estrelas massivas, os buracos negros representam o estágio final em sua evolução. Os buracos negros são tão densos que até 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 emitidas por um sino atingido.

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

Cientistas podem detectar ondas gravitacionais com instrumentos especiais em observatórios como o LIGO nos Estados Unidos, Virgo na Itália e KAGRA no Japão. Esses instrumentos medem cuidadosamente o tempo que leva para um laser percorrer um determinado caminho. À medida que as ondas gravitacionais esticam e comprimem o espaço-tempo, o comprimento do instrumento, e assim o tempo de viagem da luz, muda minimamente. Medindo essas pequenas variações com grande precisão, os cientistas podem usá-las para determinar as características dos buracos negros.

A Nova Detecção

As ondas gravitacionais recém-relatadas foram criadas por uma fusão que formou um buraco negro com a massa de 63 sóis e girando a 100 rotações por segundo. As descobertas surgem 10 anos após o LIGO ter feito a primeira detecção de fusão de buracos negros. Desde essa descoberta histórica, melhorias nos equipamentos e nas técnicas permitiram que os cientistas obtivessem uma visão muito mais clara desses eventos que abalam o espaço.

“A nova dupla de buracos negros é quase uma gêmea da detecção histórica de 2015,” diz Isi. “Mas os instrumentos estão muito melhores, então somos capazes de analisar o sinal de maneiras que simplesmente não eram possíveis há 10 anos.”

Com esses novos sinais, Isi e seus colegas obtiveram uma visão completa da colisão desde o momento em que os buracos negros se chocaram até as reverberações finais, enquanto o buraco negro fundido se estabelecia em seu novo estado, que ocorreu apenas milissegundos após o primeiro contato.

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

Em 2021, Isi liderou um estudo que apresentou um método inovador que ele, Farr e outros desenvolveram para isolar certas frequências — ou ‘tonalidades’ — usando dados da fusão de buracos negros de 2015. Este método mostrou-se poderoso, mas as medições de 2015 não eram claras o suficiente para confirmar previsões-chave sobre buracos negros. Com as novas medições mais precisas, entretanto, Isi e seus colegas estavam mais confiantes de que haviam isolado com sucesso o sinal de milissegundos do buraco negro final e estabelecido. Isso permitiu testes mais inequívocos sobre a natureza dos buracos negros.

“Dez milissegundos parecem realmente curtos, mas nossos instrumentos são tão melhores agora que esse é um tempo suficiente para realmente analisarmos a reverberação do buraco negro final,” diz Isi. “Com esta nova detecção, temos uma visão extraordinariamente detalhada do sinal tanto antes quanto depois da fusão do buraco negro.”

Propriedades e Teoremas

As novas observações permitiram aos cientistas testar uma conjectura chave que remonta a 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 buracos negros astrofísicos podem ser descritos por apenas duas características: rotação e massa. Com os novos dados de maior qualidade, os cientistas puderam medir a frequência e a duração da reverberação do buraco negro fundido com mais precisão do que nunca. Isso lhes permitiu verificar que, de fato, o buraco negro fundido é um objeto simples, descrito apenas por sua massa e rotação.

As observações também foram usadas para testar uma ideia fundamental proposta por Stephen Hawking, chamada de teorema da área de Hawking. Ele afirma que o tamanho do horizonte de eventos de um buraco negro — a linha além da qual nada, nem mesmo a luz, pode retornar — pode apenas aumentar. Testar se esse teorema se aplica requer medições excepcionais de buracos negros antes e depois de sua 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 acreditava que isso fosse possível.

Até 2019, um ano após a morte de Hawking, os métodos melhoraram o suficiente para que uma primeira confirmação tentadora pudesse ser alcançada usando técnicas desenvolvidas por Isi, Farr e colegas. Com quatro vezes mais 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. Essa lei afirma que uma propriedade que mede a desordem de um sistema, conhecida como entropia, deve aumentar, ou pelo menos permanecer constante, ao longo do tempo. Compreender a termodinâmica dos buracos negros pode levar a avanços em outras áreas da física, incluindo a gravidade quântica, que visa fundir a relatividade geral com a física quântica.

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

Futuro das Detecções de Fusões de Buracos Negros

Muitos suspeitam que futuras detecções de fusões de buracos negros revelarão ainda mais sobre a natureza desses objetos. Na próxima década, espera-se que os detectores se tornem 10 vezes mais sensíveis do que hoje, permitindo testes mais rigorosos das características dos buracos negros.

“Ouvir os tons emitidos por esses buracos negros é nossa melhor esperança de aprender sobre as propriedades dos espaço-tempos extremos que eles produzem,” diz Farr, que também é professor na Universidade de Stony Brook. “E à medida que construímos detectores de ondas gravitacionais melhores e mais avançados, a precisão continuará a melhorar.”

“Por tanto tempo, este campo foi pura especulação matemática e teórica,” diz Isi. “Mas agora estamos em uma posição de realmente ver esses processos incríveis em ação, o que destaca o quanto progredimos — e o quanto ainda progrediremos — neste campo.”