Colisão entre buracos negros é registrada com detalhes nunca antes vistos

Astrônomos detectaram uma colisão entre dois buracos negros com detalhes sem precedentes, oferecendo a visão mais clara até agora sobre a natureza dessas peculiaridades cósmicas e confirmando previsões antigas feitas pelos lendários físicos Albert Einstein e Stephen Hawking.

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O evento, chamado GW250114, tornou-se conhecido em janeiro, quando os pesquisadores o detectaram com o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser (Ligo) — um conjunto de dois instrumentos idênticos localizados em Livingston, Louisiana, e Hanford, Washington.

As ferramentas detectaram ondas gravitacionais, pequenas ondulações no espaço-tempo produzidas pelo choque entre os dois buracos negros.

A busca por ondas gravitacionais, fenômenos previstos em 1915 como parte da teoria da relatividade de Einstein, é a única maneira de identificar colisões de buracos negros a partir da Terra.

Einstein acreditava que as ondas seriam fracas demais para serem captadas pela tecnologia humana, mas em setembro de 2015, o Ligo as registrou pela primeira vez, rendendo posteriormente o Prêmio Nobel a três cientistas que fizeram contribuições-chave para o desenvolvimento deste “telescópio de buracos negros”.

Os recém-detectados tinham cada um cerca de 30 a 35 vezes a massa do Sol e giravam muito lentamente, disse Maximiliano Isi, professor assistente de astronomia na Universidade de Columbia e astrofísico no Centro de Astrofísica Computacional do Flatiron Institute, em Nova York.

O professor liderou um novo estudo para a Colaboração Ligo-Virgo-KAGRA sobre os dados do GW250114, publicado nesta quarta-feira (10) na revista Physical Review Letters.

“Os buracos negros estavam a cerca de 1 bilhão de anos-luz de distância e orbitavam um ao outro em quase um círculo perfeito”, disse Isi. “O buraco negro resultante tinha cerca de 63 vezes a massa do Sol e girava a 100 rotações por segundo.”

Essas características tornam a fusão quase uma réplica exata da primeira detecção pioneira de dez anos atrás, de acordo com o professor.

“Mas agora, como os instrumentos melhoraram muito desde então, podemos ver esses dois buracos negros com muito mais clareza, enquanto eles se aproximavam e se fundiam em um único corpo”, acrescentou.

Isi afirmou que a observação oferece aos cientistas uma visão totalmente nova sobre “a dinâmica do espaço e do tempo”.

Einstein e um anel de duas tonalidades

O Ligo, que também possui dois instrumentos menores — Virgo, na Itália, e Kagra, no Japão — é gerenciado por uma comunidade científica global de cerca de 1.600 pesquisadores.

Ele funciona detectando pequenos alongamentos no espaço causados pelas ondas gravitacionais, equivalentes a “uma mudança na distância mil vezes menor que o raio do núcleo de um átomo”, nas palavras de Isi. Até o momento, os cientistas já observaram mais de 300 fusões de buracos negros.

No início deste ano, o instrumento detectou a colisão de singularidades gravitacionais mais massiva já registrada, entre dois buracos negros com aproximadamente 100 e 140 vezes a massa do Sol.

Desde sua estreia, alguns dos principais componentes do Ligo — incluindo seus lasers e espelhos — foram atualizados para aumentar a precisão e reduzir o ruído de fundo. Esse desempenho aprimorado tornou sua nova observação mais de três vezes mais precisa do que a inicial, há uma década.

Essa clareza sem precedentes permitiu que os astrônomos usassem o GW250114 para confirmar previsões sobre buracos negros feitas décadas atrás por físicos proeminentes.

A primeira estimativa, formulada pelo matemático neozelandês Roy Kerr em 1963, baseia-se na teoria da relatividade geral de Einstein e afirma que os buracos negros devem ser objetos paradoxalmente simples, descritos por uma única equação.

“Sim, eles são muito misteriosos, complexos e têm implicações importantes para a evolução do Universo”, disse Isi, “mas matematicamente acreditamos que eles devem ser totalmente descritos por apenas dois números. Tudo o que se pode saber sobre eles deve vir do tamanho do buraco negro — ou seja, sua massa — e de quão rápido ele está girando.”

Para testar essa teoria, os pesquisadores usaram uma característica única das colisões deles: uma “ressonância” ou vibração — como um sino sendo tocado — produzida pelo buraco negro final. “Se você tem um sino e bate nele com um martelo, ele vai soar”, observou Isi.

“O tom e a duração do som, as características do som, dizem algo sobre do que o sino é feito. Com os buracos negros, algo semelhante acontece — eles soam em ondas gravitacionais.”

Essa ressonância inclui informações sobre a estrutura do buraco negro e o espaço ao seu redor, acrescentou Isi. Embora o fenômeno tenha sido observado de forma tênue antes, o GW250114 retornou um sinal com “dois modos... um modo fundamental e um harmônico” com muito mais clareza.

“Identificamos dois componentes dessa ressonância, o que nos permitiu testar se esse buraco negro realmente é consistente com a ideia de ser descrito por apenas dois números, massa e rotação”, disse ele. “E isso é fundamental para nossa compreensão de como o espaço e o tempo funcionam — que esses buracos negros deveriam ser, de certa forma, sem características. É a primeira vez que conseguimos ver isso de forma tão convincente.”