Há cerca de um ano, em 12 de abril de 2019, a colaboração LIGO-Virgo detectou ondas gravitacionais, ondulando no espaço-tempo a partir da colisão épica de dois buracos negros a 2,4 bilhões de anos-luz de distância. A essa altura, maravilhosamente, isso não é nada fora do comum em si.
Mas, como os astrônomos já revelaram, a colisão GW 190412 foi algo que nunca vimos antes. Em vez de dois buracos negros de massa aproximadamente igual entre 20 e 40 vezes a massa do Sol, o GW 190412 foi produzido por um binário extremamente desigual.
Com base na análise dessas ondas gravitacionais ondulantes, os astrônomos descobriram que um dos buracos negros inclinava a balança em cerca de 29,7 massas solares, enquanto o outro era três vezes menor – apenas 8,4 massas solares.
Este também é o binário de buraco negro de menor massa detectado até o momento – o que é tremendamente empolgante, porque significa que a fusão produziu um sinal mais longo do que qualquer outra fusão de buraco negro – uma riqueza de dados para sondar.
“Nenhuma dessas massas é surpreendente demais por si só. Sabemos que os buracos negros são desse tamanho. O que há de novo é a proporção das massas”, explicou o astrônomo Christopher Berry, da Northwestern University e a LIGO Collaboration em um post do blog.
“Essa observação nos permite testar nossas previsões para sinais de ondas gravitacionais de uma nova maneira, e é outra peça do quebra-cabeça para entender como se formam os buracos negros binários”.
As descobertas da colaboração foram apresentadas no Virtual April Meeting da American Physical Society.
Como outros eventos de ondas gravitacionais foram gerados por binários de buraco negro de massa aproximadamente igual, isso se reflete no sinal. Como os buracos negros têm a mesma massa, eles retornam à mesma posição relativa a cada órbita.
Isso resulta em uma frequência de onda gravitacional que é aproximadamente o dobro da frequência orbital do sistema binário, ou seja, quanto tempo leva para que os buracos negros se orbitem. Mas quando o sistema apresenta um desequilíbrio significativo de massa, a órbita é desigual. Isso produz uma segunda frequência de onda gravitacional mais fraca.
Isso foi observado em GW 190412, que produziu (entre a família de chirps geralmente encontrada em uma fusão de buracos negros) duas frequências distintas, como se duas cordas de guitarra estivessem vibrando simultaneamente, uma dupla de frequências.
Surpreendentemente, essas frequências eram equivalentes a cinco notas separadas – o que é conhecido como um quinto perfeito. Quando você começa a cantar Twinkle, Twinkle, Little Star, os dois primeiros twinkles constituem esse intervalo musical.
Além de realmente impressionantes, essas frequências permitiram à equipe realizar outro teste de relatividade geral também. Basicamente, eles dividem o sinal da onda gravitacional em uma parte anterior e outra posterior e usavam equações baseadas na relatividade geral para calcular a outra parte do sinal para cada metade.
As metades coincidiram com os cálculos, produzindo alguns dos resultados mais robustos deste teste até o momento.
Com base no sinal incomum da fusão, a equipe também pôde fazer mais algumas medições. Eles foram capazes de determinar que o maior dos buracos negros estava girando – geralmente uma coisa bastante difícil de medir, e somente alcançada anteriormente (e provisoriamente) em outras duas fusões.
No GW 190412, esse giro parecia bastante rápido, o que poderia ser uma pista de como um binário tão desigual passou a existir. Veja bem, existem vários modelos astrofísicos para a formação de binários de buracos negros, mas a maioria deles resulta em pares de massa igual mais ou menos.
O mais óbvio é um sistema estelar binário no qual cada estrela entra em colapso em um buraco negro. No entanto, acredita-se que estes não possam produzir buracos negros binários com grandes discrepâncias de massa, descartando GW 190412.
É possível que os buracos negros se formem separadamente e, de alguma forma, se juntem, capturando-se em órbita. Mas a alta rotação do buraco negro maior sugere que ele poderia ter se fundido com outros buracos negros anteriormente, antes de GW 190412.
Se os buracos negros estivessem em um sistema triplo ou quádruplo, o buraco negro maior já havia se fundido com os outros. Se eles estivessem flutuando no espaço normal, o chute de recuo da fusão atrapalharia o sistema – mas há um cenário em que isso poderia funcionar: no disco em torno de um buraco negro supermassivo ativo no coração de uma galáxia.
Lá, o ambiente gravitacional extremo poderia permitir que buracos negros de massa estelar passassem por várias fusões sucessivas sem serem expulsos pelo chute de recuo.
É impossível saber ao certo nesta fase, mas com a colaboração LIGO-Virgo fazendo detecções a cada poucos dias, talvez não precisemos esperar muito tempo para obter respostas.
A díade não foi a única coincidência produzida por GW 190412, a propósito. A proporção de massa entre os dois buracos negros é “aproximadamente igual à proporção de preenchimento de um Oreo comum a um Mega Stuf Oreo”, observou Berry.
“Investigações de conexões entre Oreos e formação de buracos negros estão em andamento.”
Publicado em 20/04/2020 19h12
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