Ondas da mais poderosa colisão de dois buracos negros são detectadas

Dois detectores separados por milhares de quilômetros captaram o mesmo sinal que corresponde a mais poderosa fonte de ondas gravitacionais já observada. Como Albert Einstein previu há mais de um século, os fenômenos mais violentos do cosmos produzem essas ondulações de espaço-tempo - o material de que o universo é feito - que viajam à velocidade da luz em todas as direções como se fossem o ondulações de uma pedra jogada em um lago. 

Ao chegar à Terra depois de viajar por vastas distâncias cosmológicas, essas ondas são tão fracas que Einstein duvidou que podiam ser capturadas.

O sinal foi capturado em 21 de maio de 2019 e durou apenas um décimo de segundo. Após mais de um ano de estudos, o padrão que essa vibração característica produziu nos feixes de luz laser dos detectores LIGO, nos Estados Unidos, e de Virgem, na Itália, permitiu reconstruir como ocorreu esse fenômeno.

Buracos negros (Imagem: Commics science)

A onda vem da fusão de dois buracos negros e seria a maior capturada até hoje, conforme explicam dois estudos nesta quarta-feira pelos quase 2.000 cientistas de 19 países que trabalham com os dados dos dois detectores.

A colisão ocorreu há cerca de 7 bilhões de anos - antes da formação do sistema solar e da Terra - quando um buraco negro com massa 85 vezes maior que o nosso Sol colidiu com outro equivalente a cerca de 66 estrelas solares. O interessante é que com as leis da relatividade geral em mãos e o que se sabe sobre a física das estrelas, esse fenômeno é impossível de explicar: ou a teoria da evolução estelar tem que ser mudada ou os buracos negros envolvidos têm um origem desconhecida e ainda misteriosa. Esta é a descoberta mais importante neste campo desde a descoberta da primeira onda gravitacional em 2016.

Os buracos negros são objetos tão densos que sua força de gravidade atrai qualquer coisa que caia em suas "bocas", incluindo a luz, então eles são invisíveis. Após a colisão, esses dois monstros se devoraram e formaram um buraco negro com uma massa de 142 sóis.

O resto da massa se transformou em energia que foi lançada em todas as direções como a onda de choque de uma bomba que viajou na velocidade da luz, dobrando o espaço e o tempo em seu caminho. Os interferômetros a laser LIGO e Virgo, que funcionam como uma rede de pesca com um quilômetro de comprimento feita com feixes de luz laser capaz de detectar vibrações no espaço-tempo até 10.000 vezes menores que o diâmetro de um átomo, captaram o sinal já muito fraco, 7.000 milhões de anos depois.

Vista aérea do interferômetro de Virgem com seus dois braços, com três quilômetros de extensão, em Cascina (Itália). VIRGEM

Esta é provavelmente a descoberta mais importante neste campo desde que a primeira onda gravitacional foi descoberta em 2016 e os boosters LIGO ganharam o Prêmio Nobel de Física apenas um ano depois. Toni Font, física teórica da Universidade de Valência e colaboradora de Virgem, explica o porquê: “Até agora todas as fusões de buracos negros e estrelas de nêutrons que haviam sido capturados eram sabor de baunilha; quase todos os físicos gostavam deles porque correspondiam ao que se esperava ”.

A fusão anunciada hoje é como um gelado fabada: raro, possível e não apreciado por muitos porque os tira da zona de conforto. “Hoje não estamos preparados para entender esse fenômeno e não podemos responder às inúmeras questões que ele nos abre”, explica Font. “O mais interessante é que o resultado dessa fusão é um buraco de 142 massas solares, algo nunca observado e que por enquanto também não conseguimos entender”, destaca.

No mundo dos buracos negros, existem duas grandes categorias. O primeiro é composto de massa estelar, que se forma quando uma estrela morre e seu cadáver colapsa sobre si mesmo para formar o buraco negro. Normalmente, não excedem algumas dezenas de massas solares. A segunda classe são os buracos negros supermassivos, monstros gigantescos com massas de centenas de milhares de estrelas como o Sol que se escondem no centro das galáxias, incluindo a nossa. Entre esses dois tipos existe um enorme espaço vazio. Os buracos negros dificilmente são conhecidos na faixa intermediária entre os dois tipos mencionados.

De acordo com a física estelar e a relatividade de Einstein, uma estrela entre 65 e 120 massas solares que morre explode como uma bomba sem deixar rastros. É por isso que os dois buracos negros intuídos pelos detectores, de 85 e 66 massas solares, e seu produto final, não podem ser o resultado de uma morte estelar: devem ter uma origem alternativa que permita múltiplas explicações, das mais conservadoras às que Eles poderiam merecer outro Nobel e revolucionar nossa compreensão do universo.

Cientistas colaborativos analisam o sinal e reconstroem com computadores poderosos todos os fenômenos que poderiam tê-lo produzido, sempre jogando de acordo com as regras da relatividade geral de Einstein. Em dois estudos publicados hoje na Physical Review Letters e Astrophysical Journal Letters, eles dizem que a explicação mais provável é que se trata de uma fusão. Como dois buracos negros teoricamente impossíveis foram formados? “Ou a teoria da evolução estelar com a qual lidamos está incompleta e temos que reescrevê-la, ou os dois buracos negros envolvidos não vêm de estrelas que morreram, mas foram formados por fusões anteriores de buracos negros menores”, explica Font.

A segunda opção seria possível em certas regiões do universo conhecidas como aglomerados globulares, enormes esferas formadas por milhares de estrelas. Muitos deles morrem e formam milhares de buracos negros que estariam perto o suficiente para se encontrar, atrair, colidir e se fundir.

As incógnitas sobre esta onda são maiores do que com as anteriores. Normalmente dois buracos negros que se aproximam gradativamente de suas órbitas até colidirem produzem ondas que duram mais e cuja frequência está aumentando no que os físicos do LIGO e de Virgem chamam de “chirp”, que termina em pico alto. Os cientistas traduziram essas ondas em som para que possam ser ouvidas em outras ocasiões. O twitter anterior fornece muitas informações sobre as massas, rotação ou distância dos dois buracos negros. Nesta ocasião, o twittering anterior não foi captado, apenas o momento final da fusão, um décimo de segundo que esconde muitos dos detalhes sobre o que o produziu e como, explica Font.

Este fenômeno permite desde as explicações mais conservadoras até algumas que poderiam merecer outro Nobel e revolucionar nossa compreensão do universo

Muito mais improváveis, mas também mais estimulantes porque investigam o desconhecido, são duas explicações alternativas abordadas no segundo estudo. O primeiro diz que estamos diante de buracos negros primordiais, coágulos de matéria formados segundos após o nascimento do universo após o Big Bang - 13,7 bilhões de anos atrás - e que seriam feitos de matéria escura. Para que o universo tenha a aparência e o comportamento que tem, 85% de toda a matéria tem que ser escura, mas nunca foi descoberto de que é feito. Conseguir seria uma descoberta histórica, um Nobel.

Na década de 1970, Stephen Hawking e Bernard Carr propuseram a existência desses buracos negros tão minúsculos que sua massa não ultrapassaria a de uma montanha; mas eles concluíram que todos eles já evaporaram. Posteriormente, os físicos teóricos Juan García-Bellido, do Autónoma de Madrid, e Sébastien Clesse, da Universidade de Louvain, propuseram que podem haver buracos negros primordiais de dezenas de massas solares e que juntos poderiam constituir toda a matéria escura do universo, ou pelo menos parte dele.

O achado de agora ressuscita essa teoria, mas ela pára instantaneamente, pois os responsáveis alertam que a possibilidade de serem buracos primordiais é muito, muito remota. “Com esses dados não podemos afirmar que são buracos primordiais, apenas que não podemos descartar essa possibilidade”, diz García-Bellido. “Provavelmente precisaremos reanalisar os dados com outras premissas anteriores e esperar que mais fenômenos desse tipo sejam detectados”, destaca.

Outra das possibilidades menos prováveis, mas espantosas, é que a origem desta onda gravitacional mais poderosa da história seja uma corda cósmica, uma espécie de fio unidimensional formado em frações de segundo após o Big Bang e que, por enquanto, só existe no papel. fruto das teorias de alguns físicos. “É extremamente improvável que esse evento tenha sido produzido por uma corda cósmica”, escrevem os cientistas com cautela em seu segundo estudo para concluir que a opção mais provável é aquela que se encaixa no que foi observado desde 2016 : a fusão de dois buracos negros. Voltando ao sorvete, Font reconhece que ainda existem tantas incógnitas que o mais prudente para a colaboração científica tem sido ficar com a baunilha, por enquanto.