Para fazer dois buracos negros colidirem, experimente três
A dança em espiral de um par de buracos negros em colisão deve durar bilhões de anos. No entanto, captamos cerca de 10 colisões de buracos negros desde 2016 – muito mais do que esperávamos. Algum processo deve estar em ação para acelerar o processo de colisão, para fazer buracos negros se unirem mais rapidamente do que o previsto.
O problema começa antes que os buracos negros se formem em primeiro lugar. Os buracos negros são essencialmente relíquias mortas de estrelas massivas. À medida que estas estrelas progenitoras envelhecem, elas passam por uma fase quando se expandem em estrelas supergigantes várias vezes seu tamanho original. Neste ponto, se duas estrelas estiverem orbitando juntas, uma será incluída na outra, e a dupla colidirá antes de se tornar buracos negros.
Isso sugere que qualquer par de grandes buracos negros deve começar sua existência extremamente afastados – tão distantes que as colisões serão extremamente raras. E, no entanto, essas colisões são bastante comuns. “Teóricos dos EUA, nós realmente gostamos quando há um novo quebra-cabeça”, disse Smadar Naoz, um astrofísico teórico da Universidade da Califórnia, em Los Angeles. “Todo mundo está pulando com novas idéias.”
Então, como você pode obter pares de buracos negros que nunca foram pares de estrelas supergigantes? Uma explicação potencial sustenta que duas estrelas massivas poderiam começar bem distantes e se aproximar à medida que caíssem em buracos negros. Ou talvez algumas estrelas entrem em colapso sem nunca chegarem a estrelas supergigantes, ou buracos negros solitários se encontrarem e se unirem para formar pares.
Nos últimos anos, surgiu outra ideia. Sob as condições corretas, um terceiro objeto pode acionar um processo que aproxima um par de objetos. Este efeito de três corpos fornece um caminho para que estrelas massivas distantes colapsem primeiro em buracos negros e, em seguida, desenhem perto o suficiente para colidirem. E como as estrelas massivas costumam estar em sistemas triplos, os pesquisadores dizem que é importante levar em conta esse efeito de três corpos.
Para entender como esse processo pode funcionar, imagine a Terra e a lua girando em torno de si. Esses dois irão traçar órbitas estáveis ??em torno de seu centro comum de massa quase indefinidamente – a menos que algo interfira.
Um terceiro objeto não afetaria necessariamente a estabilidade do sistema Terra-Lua, desde que os três objetos girassem no mesmo plano plano (como a maioria dos objetos do sistema solar).
No entanto, objetos no espaço não são, em geral, limitados a uma única superfície plana. Imagine o terceiro objeto girando em torno do sistema Terra-Lua em um ângulo, de modo que as órbitas não estejam alinhadas. Se o ângulo entre as órbitas for grande o suficiente, os efeitos gravitacionais do terceiro objeto poderiam interferir nas órbitas da Terra e da lua. Seus caminhos se estenderão em longas elipses, que afastam muito mais os objetos antes de aproximá-los. Quando eles estão mais próximos, outros efeitos podem acontecer para reduzir ainda mais suas órbitas. Eventualmente, a Terra e a Lua poderiam colidir umas com as outras, com consequências cataclísmicas para ambos.
No mundo dos buracos negros, esse processo de três corpos, ou “canal”, vem em alguns sabores diferentes. O terceiro objeto pode ser um buraco negro de massa estelar, ou uma estrela massiva que ainda não entrou em colapso. Pode até ser um dos buracos negros supermassivos encontrados nos centros da maioria das galáxias. Neste caso, duas estrelas massivas no centro galáctico colapsam para se tornarem buracos negros. Este par de buracos negros menores e o buraco negro supermassivo formam um sistema de três corpos. O buraco negro supermassivo pode até desencadear efeitos especiais da relatividade geral que tornam o par de buracos negros menores mais propensos a se fundir, relataram pesquisadores em um artigo postado no site de pré-impressão científica arxiv.org em junho.
“A beleza deste canal é que há muito poucas incertezas na forma como os buracos negros se fundem”, disse Fabio Antonini, um astrofísico da Universidade de Surrey, que publicou vários artigos sobre a idéia. “É apenas gravidade, é apenas dinâmica.”
Mas, como cada um dos outros canais de formação propostos para as fusões de buracos negros, o processo triplo tem peças que os pesquisadores ainda precisam descobrir. Por exemplo, não está claro com que frequência as órbitas dos sistemas de três estrelas serão anguladas o suficiente para acionar o efeito.
Uma vantagem central dessa idéia é que ela pode ser testada. Os buracos negros que se fundem através do processo triplo devem ter órbitas menos circulares ou excêntricas do que as dos buracos negros que se fundem a partir de um sistema binário não perturbado. Os cientistas podem medir as excentricidades das órbitas dos buracos negros num futuro próximo, disse Daniel Holz, astrofísico da Universidade de Chicago e membro da colaboração LIGO, que busca as ondas gravitacionais vindas de colisões de buracos negros.
“Parte do que faz com que seja emocionante é que você pode acabar com sistemas, por exemplo, com alta excentricidade”, disse Holz, que não estuda o processo do sistema triplo. “E se isso é algo que você pode medir, então isso seria uma arma fumegante que algo chique está acontecendo.”
As rotações de buracos negros também podem dizer aos cientistas se uma fusão de buracos negros aconteceu por causa de um processo de sistema triplo. Se um sistema binário de buraco negro formado através da evolução de duas estrelas sem a influência de outros corpos, eles deveriam estar girando e orbitando mais ou menos na mesma direção – como dois patinadores de gelo girando no sentido horário enquanto eles patinam um no sentido do outro. Mas de acordo com o trabalho de astrofísicos como Dong Lai e Bin Liu da Cornell University, a interferência de outros objetos, como um terceiro corpo em um sistema triplo, pode inclinar o buraco negro orbitando de modo que seus eixos orbitais e eixos de rotação estejam em ângulo uns aos outros. O efeito é difícil de medir diretamente com a tecnologia atual, mas os pesquisadores esperam encontrar novas formas inteligentes de inferir esses alinhamentos de rotação.
Assim, embora ainda seja cedo demais para dizer exatamente como os buracos negros se aproximam o suficiente para se fundirem, os pesquisadores estão mantendo o problema como um exemplo do motivo pelo qual as detecções de ondas gravitacionais são tão importantes. “Você não quer apenas ter observações de ondas gravitacionais para seu próprio bem”, disse Ilya Mandel, astrofísica da Universidade Monash, na Austrália. “Você quer usá-los como sondas para estudar coisas que são difíceis de entender e difíceis de medir diretamente.”
Publicado em 15/08/2019
Artigo original: https://www.quantamagazine.org/to-make-two-black-holes-collide-try-three-20190815/
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