Uma questão em aberto entre a comunidade da física é se os buracos negros podem ser deformados de forma maré por um campo gravitacional externo. Se isso fosse confirmado, poderia ter implicações importantes para muitas áreas da física, incluindo física fundamental, astrofísica e astronomia de ondas gravitacionais.
Pesquisadores do Observatoire de Paris- CNRS e do Centro Brasileiro de Pesquisas Fisicas (CBPF) realizaram recentemente um estudo investigando a deformabilidade de maré de buracos negros sob um campo gravitacional estático externo. O artigo deles, publicado na Physical Review Letters, sugere que sob tal campo, buracos negros giratórios podem geralmente se deformar.
“A ideia para este trabalho surgiu em parte de algumas palestras durante a Conferência Internacional sobre Relatividade Geral e Gravitação (GR22) em 2019”, disse Marc Casals, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org. “Durante essas palestras, os palestrantes discutiram a deformabilidade das estrelas de nêutrons devido a um campo de maré gravitacional externo. Eles também mencionaram que, ao contrário das estrelas de nêutrons, a deformabilidade de maré (estática) de buracos negros não rotativos é zero, como mostrado por vários estudos. Este resultado imediatamente levantou a questão de saber se a deformabilidade de maré (estática) de buracos negros em rotação também é zero. ”
A deformabilidade de buracos negros em rotação sob um campo gravitacional estático já havia sido investigada por uma equipe de pesquisadores da Universidade Sapienza de Roma. Em um artigo publicado em 2015, esses pesquisadores mostraram que quando o campo de marés estático é simétrico em relação ao eixo de rotação de um buraco negro, a deformabilidade do buraco negro é zero.
Em seu estudo, Casals e seu colega Alexandre Le Tiec queriam investigar a deformabilidade de buracos negros em rotação quando o campo de maré aplicado a eles é arbitrário (ou seja, não necessariamente axissimétrico). Esta é uma questão particularmente importante, pois acredita-se que todos os buracos negros astrofísicos estejam girando; assim, quaisquer campos de maré externos normalmente não seriam axi-simétricos.
“Jornais anteriores nos deram algumas pistas sobre quais métodos usar”, explicou Casals. “Um deles era uma técnica matemática específica: permitir que o chamado índice multipolar temporariamente assumisse números reais, enquanto seus valores físicos deveriam ser números puramente inteiros (por exemplo, 2, 3, 4, …).”
A técnica matemática usada por Casals e Le Tiec pode ser usada para separar a deformação de maré de um buraco negro do campo de maré externo que o causou, para então definir o índice multipolar como um número físico inteiro. Apesar de suas vantagens, no entanto, essa técnica é provavelmente difícil de usar diretamente em equações que são satisfeitas pelo próprio campo gravitacional.
“Em vez disso, aplicamos primeiro a outra quantidade, que envolve derivados do campo gravitacional (essencialmente mede a curvatura do espaço-tempo) e, crucialmente, satisfaz uma equação mais simples que foi derivada em um artigo anterior de S. Teukolsky,” Casals disse. “A partir dessa quantidade, podemos então obter o campo gravitacional.”
A medição de um campo gravitacional depende de quem é seu ‘observador’ ou, em termos matemáticos, do sistema de coordenadas. Portanto, como uma etapa final, Casals e Le Tiec construíram quantidades independentes do observador (ou coordenadas), para que pudessem identificar a deformabilidade de maré de buracos negros em rotação de uma forma que fosse verdadeiramente significativa.
“Essas quantidades independentes do observador são os chamados momentos multipolares de Geroch-Hansen, nomeados em homenagem aos autores que as criaram (a saber, R. P. Geroch em 1970 e R.O. Hansen em 1974)”, disse Casals.
No geral, os cálculos realizados por esta equipe de pesquisadores mostram que buracos negros em rotação se deformam genericamente sob um campo gravitacional externo e estático. Este resultado está em forte contraste com as descobertas de estudos anteriores relacionados a buracos negros não rotativos ou buracos negros rotativos com um campo de maré axi-simétrico.
“Calculamos essa deformação explicitamente para o caso de um campo de maré fraco com índice multipolar igual a 2 e para a rotação de um pequeno buraco negro”, disse Casals. “Além disso, associamos essa deformação de maré ao efeito anteriormente conhecido do torque de maré; uma mudança no momento angular do buraco negro devido ao campo de maré.”
As descobertas reunidas por Casals e Le Tiec podem abrir caminho para mais estudos que investiguem a deformabilidade de buracos negros giratórios sob um campo de marés estático. Em seu artigo, os pesquisadores também especulam sobre a possibilidade de que tal deformação de maré possa ser observada dentro das ondas gravitacionais que devem ser detectadas pela missão Laser Interferometer Space Antenna (LISA), que está planejada para 2034.
“Nossa pesquisa pode naturalmente ser estendida em várias direções”, disse Alexandre Le Tiec ao Phys.org. “Poderíamos, por exemplo, investigar a deformabilidade das marés de buracos negros giratórios: (i) para índice multipolar superior a 2; (ii) para grande rotação de buracos negros; ou (iii) para um campo de maré forte. Também seria interessante para explorar a ligação precisa entre a deformabilidade das marés, o aquecimento das marés e a viscosidade diferente de zero do horizonte de eventos dos buracos negros dentro do chamado paradigma da membrana. “
Publicado em 06/05/2021 02h12
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