Uma nova hipótese sugere que a expansão do universo pode estar fazendo com que todos os objetos materiais cresçam em massa.
Os buracos negros do universo são maiores do que os astrofísicos esperavam que fossem. Agora, um novo estudo sugere o porquê: cada buraco negro pode estar crescendo à medida que o universo se expande.
A nova hipótese, chamada de “acoplamento cosmológico”, argumenta que, à medida que o universo se expande após o Big Bang, todos os objetos com massa também crescem com ele. E os buracos negros, como alguns dos objetos mais massivos que existem, são os que mais crescem.
Essa hipótese se origina das ondulações gravitacionais no espaço-tempo que ocorrem quando dois buracos negros massivos ficam presos em órbita, espiralam para dentro e colidem. Desde 2015, os cientistas do Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) e do interferômetro de Virgo, que são projetados para detectar essas ondas gravitacionais, observaram muitas dessas fusões de buracos negros.
Mas as ondas contêm um mistério. Com base na distribuição de tamanho estimada das estrelas no universo, os buracos negros deveriam ter massas inferiores a aproximadamente 40 vezes a massa do sol. Mas os dados retirados dessas ondas gravitacionais mostram que muitos buracos negros têm mais de 50 massas solares e alguns se aproximam de 100 massas solares.
Uma explicação comum para essa incompatibilidade é que os buracos negros crescem com o tempo, empanturrando-se de gás, poeira, estrelas e até mesmo de outros buracos negros. Mas como os buracos negros costumam se formar após gigantescas explosões estelares chamadas supernovas, muitos buracos negros surgem em regiões do espaço sem nenhum desses materiais. Os astrônomos sugeriram explicações alternativas, mas todos propõem mudanças invisíveis no entendimento atual dos cientistas sobre os ciclos de vida das estrelas. E ninguém pode explicar a impressionante diversidade de tamanho dos buracos negros mesclados que os observatórios de ondas gravitacionais detectaram.
O novo artigo, publicado em 3 de novembro no The Astrophysical Journal Letters, propõe uma explicação para as grandes e pequenas massas dos buracos negros: As massas crescentes dos buracos negros não são o resultado de nada que estão comendo, mas são, de alguma forma, amarrado à expansão do próprio universo.
Isso significaria que todos os buracos negros do universo – incluindo os buracos negros em fusão detectados em experimentos de ondas gravitacionais, os buracos negros errantes na periferia de nossa galáxia e até mesmo os enormes buracos negros supermassivos no centro da maioria das galáxias – estão crescendo ao longo do tempo.
Para investigar sua hipótese, os pesquisadores escolheram modelar dois pretos que se fundem em um universo em crescimento, em vez dos universos estáticos que outras equipes de pesquisa construíram para simplificar as equações complexas (derivadas da teoria da relatividade geral de Einstein) que fornecem as bases para o preto modelos de fusão de furos.
Leva apenas alguns segundos para que dois buracos negros em espiral se fundam, então assumir um universo estático nesse curto espaço de tempo, como o trabalho anterior fez, parece sensato. Mas os pesquisadores discordam, eles dizem que se os cientistas assumirem um universo estático em seus modelos, eles podem estar descartando possíveis mudanças nos dois buracos negros ao longo dos bilhões de anos que existiram antes de atingir o ponto de colisão
“É uma suposição que simplifica as equações de Einstein, porque um universo que não cresce tem muito menos para acompanhar”, disse o primeiro autor do estudo Kevin S. Croker, professor da Universidade do Havaí no Departamento de Física e Astronomia de Manoa. na declaração. “Porém, há uma compensação: as previsões podem ser razoáveis apenas por um período limitado de tempo.”
Simulando milhões de pares de estrelas – desde o nascimento até a morte – os pesquisadores foram capazes de estudar aquelas que morreram para formar buracos negros emparelhados e relacionar o quanto elas cresceram em proporção à expansão do universo. Depois de comparar algumas previsões feitas pelo universo modelo que eles cresceram com os dados do LIGO-Virgo, os pesquisadores ficaram surpresos ao ver que combinavam bem.
“Devo dizer que não sabia o que pensar no início”, disse o co-autor Gregory Tarlé, professor de física da Universidade de Michigan, em um comunicado. “Foi uma ideia tão simples que fiquei surpreendido por ter funcionado tão bem.”
A hipótese pode parecer estranha, mas o acoplamento cosmológico existe em outras partes da astrofísica. O exemplo mais famoso disso é provavelmente o “desvio para o vermelho”, no qual os objetos que se afastam têm sua luz esticada para comprimentos de onda mais longos (e, portanto, mais vermelhos).
Isso significa que conforme o universo se expande e as estrelas se afastam umas das outras – como pontos desenhados em um balão inflável – as partículas de luz, ou fótons, que as estrelas emitem tornam-se mais vermelhas com o tempo, perdendo energia ao fazê-lo. Diz-se que a energia da luz está cosmologicamente acoplada à expansão do universo.
Se os pesquisadores estiverem corretos, isso significa que tudo com massa está ficando maior – sóis, estrelas de nêutrons, planetas e até humanos. Claro, esse acoplamento seria muito mais fraco para nós do que para os buracos negros.
“O acoplamento cosmológico se aplica a outros objetos e materiais no universo, mas a força do acoplamento é tão fraca que você não pode ver seus efeitos”, disse Croker ao Live Science. “Para os tipos de buracos negros que formulamos, o acoplamento pode ser um milhão de vezes maior do que o que você esperaria do núcleo do sol. E mesmo para esses tipos de buracos negros, você pode ter que esperar centenas de milhões de anos para apenas dobrar sua massa. ”
Pode ser apenas uma ideia interessante por enquanto, mas à medida que os detectores de ondas gravitacionais se tornam mais sensíveis ao longo do tempo, mais e mais dados estarão disponíveis para testar a hipótese, disse Croker.
“As atualizações planejadas para o LIGO-Virgo, mais os dados que coletarão na próxima década, descreverão muitas outras fusões de buracos negros”, disse Croker. “Quanto mais dados forem coletados, mais poderemos testar nossa hipótese. Experimentos com ondas gravitacionais baseadas no espaço, como LISA [a Antena Espacial de Interferômetro a Laser], podem nos permitir ver o ganho de massa diretamente em sistemas individuais.”
Publicado em 16/11/2021 12h54
Artigo original:
Estudo original:
Artigos relacionados:
- Novo estudo propõe a expansão do universo impacta diretamente no crescimento de buracos negros
- Astrônomos dizem que os buracos negros estão ganhando massa à medida que o universo cresce