Os astrônomos detectaram uma colisão entre dois buracos negros com detalhes sem precedentes, oferecendo a visão mais clara da natureza dessas esquisitices cósmicas e confirmando as previsões de longa data feitas pelos lendários físicos Albert Einstein e Stephen Hawking.
O evento, apelidado de GW250114, ficou conhecido em janeiro, quando os pesquisadores o viu com o Observatório de Ondas Gravitacionais do Interferômetro a laser (LIGO)-um conjunto de dois instrumentos idênticos localizados em Livingston, Louisiana e Hanford, Washington.
Os instrumentos detectaram ondas gravitacionais, ondulações fracas no espaço-tempo produzidas pelos dois buracos negros batendo um no outro.
Procurando ondas gravitacionais, fenômenos previstos em 1915 como parte da teoria da relatividade de Einstein, é a única maneira de identificar colisões de buracos negros da Terra. (Getty)
Procurando ondas gravitacionais, fenômenos previstos em 1915 como parte da teoria da relatividade de Einstein, é a única maneira de identificar colisões de buracos negros da Terra.
Einstein acreditava que as ondas seriam fracas demais para serem recolhidas pela tecnologia humana, mas em setembro de 2015, a LIGO as gravou pela primeira vez, depois com um prêmio Nobel para três cientistas que fizeram as principais contribuições para o desenvolvimento desse “telescópio negro”.
Os buracos negros recém -detectados eram de 30 a 35 vezes a massa do sol, e eles estavam girando muito lentamente, disse Maximiliano ISI, professor assistente de astronomia da Universidade de Columbia e astrofísico no Centro de Astrofísica Computacional do Instituto Flatiron.
ISI liderou um novo estudar Para a colaboração Ligo-Virgo-Kagra nos dados do GW250114, publicada quarta-feira na revista Physical Review Cartas.
“Os buracos negros estavam a cerca de 1 bilhão de anos -luz de distância, e eles estavam orbitando um com o outro em quase um círculo perfeito”, disse Isi.
“O buraco negro resultante era cerca de 63 vezes a massa do sol, e estava girando a 100 revoluções por segundo”.
Essas características tornam a fusão uma réplica quase exata dessa primeira detecção inovadora de 10 anos atrás, de acordo com o ISI.
“Mas agora, porque os instrumentos melhoraram muito desde então, podemos ver esses dois buracos negros com muito maior clareza, quando se aproximaram e se fundiram em um único”, acrescentou.
O ISI disse que a observação dá aos cientistas uma visão totalmente nova sobre “a dinâmica do espaço e do tempo”.
Einstein e um anel de dois tons
O LIGO, que também possui dois instrumentos irmãos menores – Virgem na Itália e Kagra no Japão – é gerenciada por uma comunidade científica global de cerca de 1600 pesquisadores.
Ele funciona detectando pequenos alongamentos no espaço causados pelas ondas gravitacionais que equivale a “uma mudança na distância 1000 vezes menor que o raio do núcleo de um átomo”, como o ISI o coloca.
Os cientistas o usaram para observar mais de 300 fusões negras até agora.
No início deste ano, o instrumento detectou a colisão mais maciça do buraco negro até agora entre dois buracos negros, aproximadamente 100 e 140 vezes a massa do sol.
A segunda previsão confirmada pelo GW250114 é feita em 1971 pelo físico britânico Stephen Hawking (AAP)
Desde que estreou, 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 três vezes mais precisa do que a inaugural de uma década atrás.
Essa clareza sem precedentes permitiu que os astrônomos usassem o GW250114 para confirmar previsões sobre buracos negros feitos décadas atrás por físicos proeminentes.
A primeira previsão, criada pelo matemático da Nova Zelândia 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, os buracos negros são muito misteriosos, complexos e têm implicações importantes para a evolução do universo”, disse ISI, “mas matematicamente achamos que eles devem ser totalmente descritos por apenas dois números. Tudo o que há para saber sobre eles deve vir do tamanho do buraco negro – ou de que massa é – e quão rápido é girar”.
Para testar essa teoria, os pesquisadores usaram uma característica única das colisões de buracos negros: um “toque” ou vibração – como um sino que foi atingido – que o buraco negro final produz.
“Se você tem uma campainha e bate com um martelo, ele tocará”, observou Isi. “O tom e a duração do som, as características do som, dizem algo sobre o que a campainha é feita. Com buracos negros, algo semelhante acontece – eles tocam em ondas gravitacionais”.
Esse toque inclui informações sobre a estrutura do buraco negro e o espaço ao seu redor, acrescentou o ISI.
Embora o fenômeno tenha sido fracamente observado antes, o GW250114 retornou um sinal com “dois modos … um modo fundamental e um tom” com muito mais clareza.
“Identificamos dois componentes desse toque, e isso nos permitiu testar que esse buraco negro é realmente consistente ao ser descrito por apenas dois números, massa e rotação”, disse ele.
“E isso é fundamental para a nossa compreensão de como o espaço e o tempo funcionam – que esses buracos negros devem ser incorretos, de alguma forma. É a primeira vez que somos capazes de ver isso de maneira tão convincente”.
Teorema da área de superfície de Hawking
A segunda previsão confirmada pelo GW250114 é feita em 1971 pelo físico britânico Stephen Hawking, que afirma que quando dois buracos negros se fundem, a área de superfície resultante deve ser igual ou maior que a dos orifícios negros originais.
“É um teorema profundo, mas muito simples, que diz que a área de superfície total de um buraco negro nunca pode diminuir – ele só pode ficar maior ou permanecer o mesmo”, disse Isi.
Embora as observações anteriores do LIGO ofereçam tentativas confirmações Do teorema, a clareza desse novo sinal oferece aos pesquisadores confiança incomparável, disse o ISI.
“Como somos capazes de identificar a parte do sinal que vem dos buracos negros desde o início, à medida que eles são separados um do outro, podemos inferir suas áreas a partir disso”, explicou.
Então, podemos olhar para a parte final do sinal que vem do buraco negro final e medir sua própria área “.
Assim como a equação de Kerr, o teorema de Hawking também usa o trabalho de Einstein como fundamento: “As teorias de Einstein são como o sistema operacional para tudo isso”, explicou o ISI.
Kip Thorne, um dos três destinatários do Prêmio Nobel de Contribuições do Ligo, disse que Hawking o chamou assim que soube da detecção de ondas gravitacionais de 2015 para perguntar se Ligo seria capaz de testar seu teorema.
Uma impressão de GW250114 de artista, uma poderosa colisão entre dois buracos negros observados por astrônomos com detalhes sem precedentes.
“Se Hawking estivesse vivo, ele teria se divertido ao ver a área dos buracos negros mesclados aumentar”, disse Thorne sobre o estimado físico, que morreu em 2018, em comunicado sobre as novas descobertas.
É notável como esse trabalho teórico seminal está sendo confirmado décadas depois com instrumentos avançados, disse ISI.
E confirmar a equação de Hawking, acrescentou, poderia ter implicações para um objetivo muito procurado na física-combinando a teoria aparentemente incompatível da relatividade geral, que descreve a gravidade, com a mecânica quântica, relacionada ao mundo subatômico.
“Ligo criou um novo ramo de astronomia. Ele revolucionou o que pensamos sobre objetos compactos, buracos negros em particular”, disse ele.
“Antes de Ligo ligar, as pessoas nem sequer tinham certeza de que os buracos negros poderiam se fundir, travar e se formar dessa maneira”.
As ondas gravitacionais são muito fracas, e a tarefa titânica de detectá -las é frequentemente descrita como procurar uma agulha em um palheiro, de acordo com Emanuele Berti, professor de física e astronomia da Universidade Johns Hopkins, que não esteve envolvida no estudo.
Ele descreveu os detectores do LIGO como “aparelhos auditivos” que ajudam nesse processo.
“Um grande grupo de cientistas passou os últimos dez anos melhorando esses aparelhos auditivos, e agora podemos ‘ouvir’ os sinais com maior clareza”, disse ele em um email.
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“Agora podemos testar os princípios fundamentais da gravidade que não poderíamos testar há dez anos”.
Entre esses princípios, acrescentou, está a idéia de que os buracos negros são os objetos macroscópicos mais simples do universo.
O nível de detalhe no “toque” produzido pela colisão do GW250114 significa que os cientistas podem dizer com confiança que o objeto final é consistente com os buracos negros previstos pela relatividade geral de Einstein, que Berti diz ser “terrivelmente emocionante”.
Leor Barack, professor de física matemática da Universidade de Southampton, na Inglaterra, que também não fazia parte do estudo, observou que entre os mais de 300 eventos de fusão de buracos negros registrados por Ligo, o mais recente se destaca como “particularmente espetacular” e chama o novo estudo de uma análise tão esperada.
Os cientistas foram capazes de extrair dois dos “tons puros” do buraco negro remanescente enquanto se estabeleceu em sua forma final, acrescentou Barack.
“Isso incluiu, pela primeira vez, uma extração clara do primeiro ‘tom’ tom”, um som mais harmonioso do buraco do toque, além do tom principal “, disse ele.
“Esse tipo de teste é o mais preciso até o momento, por uma longa margem”.
O estudo representa um marco significativo na astronomia da onda gravitacional, disse Macarena Lagos, professora assistente do Instituto de Astrofísica da Universidade Andrés Bello no Chile. Lagos também não estava envolvido com o trabalho.
Ela concordou que a detecção de um segundo tom no buraco negro “tocando” é particularmente significativo, acrescentando que o GW250114 demonstra o sucesso das melhorias contínuas do LIGO e mostra que as detecções de ondas gravitacionais podem testar a física fundamental de maneiras nunca antes possíveis.
“Embora os testes atuais de gravidade ainda tenham amplas incertezas, este trabalho estabelece as bases para detecções futuras” de qualidade ainda mais esperada nos próximos anos, disse Lagos em um email.
“Essas observações futuras prometem fornecer testes mais precisos de nossa compreensão do espaço -tempo e da gravidade”.
