Pesquisadores do Instituto Max Planck de Física Gravitacional, Instituto de Tecnologia de Rochester e Instituto Perimeter de Física Teórica recentemente reuniram fortes evidências numéricas para um novo fenômeno que ocorre no interior de buracos negros binários. Em seu estudo, publicado na Physical Review Letters, eles coletaram observações que poderiam oferecer uma nova e empolgante visão sobre a fusão de superfícies presas marginalmente externas (MOTSs) em um buraco negro binário (BBH), um sistema que consiste em dois buracos negros em órbita próxima ao redor. entre si.
“É um fato subestimado que os horizontes de eventos não são realmente muito úteis para o estudo das propriedades astrofísicas das fusões de buracos negros”, disseram os pesquisadores ao Phys.org por email. “O que é muito mais útil são superfícies que ficam sob o nome chato de superfícies presas marginalmente externas (superfícies marginais ou MOTS em resumo). Esse nome desinteressante esconde sua importância na compreensão dos buracos negros”.
Nos últimos 15 a 20 anos, dois dos autores do artigo recente, Badri Krishnan e Erik Schnetter, desenvolveram maneiras de usar superfícies marginais para calcular, entre outras coisas, a massa do buraco negro e o momento angular. Apesar de suas realizações nesta área, eles não conseguiram responder a uma pergunta-chave: os MOTSs se fundem em uma coalescência BBH e, em caso afirmativo, como, exatamente?
Os pesquisadores estavam ansiosos para descobrir mais sobre essa fusão, bem como desvendar quaisquer recursos topológicos interessantes que possam estar ocultos nela. Daniel Pook-Kolb, outro autor do artigo e Ph.D. estudante do Instituto Max Planck, decidiu assim investigar mais esse tópico em sua tese.
“Para entender a fusão, precisamos localizar superfícies marginais altamente distorcidas, uma tarefa numericamente desafiadora que derrotou todos os estudos anteriores”, disseram os pesquisadores. “Desenvolvemos uma nova técnica numérica para esta tarefa e nos aproximamos cada vez mais do ponto de fusão. Mesmo assim, nossos métodos não funcionam extremamente perto da fusão, onde aparecem superfícies com cúspides”.
Como os pesquisadores não conseguiram obter o insight que procuravam em seus estudos anteriores, continuaram procurando diferentes caminhos para investigar a fusão de MOTSs em um sistema BBH. Eventualmente, Schnetter teve uma nova ideia para abordar esse tópico, o que implicava em procurar superfícies com laços que se cruzam.
Quando ele propôs isso ao restante da equipe, Krishnan ficou um pouco cético, pois nenhuma literatura anterior havia explorado essa ideia antes, mas Pook-Kolb decidiu investigar independentemente e procurar por essas superfícies. Eventualmente, descobriu-se que tais características topológicas existem e que poderiam, de fato, ser características genéricas de fusões de buracos negros.
Essencialmente, os pesquisadores simularam a colisão frontal de dois buracos negros não-giratórios com massas desiguais. Nessas simulações, eles observaram que o MOTS associado ao buraco negro final resultante de uma fusão BBH se une às duas superfícies inicialmente disjuntas que correspondem aos dois buracos negros iniciais no sistema.
Isso resulta em uma sequência conectada de MOTSs interpolando entre o estado inicial e final do BBH, até a fusão entre os dois buracos negros eventualmente ocorrer. Por fim, suas descobertas destacam uma mudança de topologia na mesclagem de superfícies marginais.
As observações reunidas em suas simulações também sugerem a existência de um MOTS com auto-interseções formado imediatamente após a fusão. Os pesquisadores, no entanto, esperam que outra de suas descobertas tenha implicações muito maiores para futuras observações das ondas gravitacionais.
“Como agora temos uma sequência de superfícies marginais nos levando dos dois buracos negros inicialmente disjuntos para o final, podemos calcular em detalhes como as quantidades físicas de buracos negros se comportam durante a fusão”, disseram os pesquisadores. “Seria especialmente interessante encontrar características semelhantes nos sinais de ondas gravitacionais observadas: podemos então afirmar com razão que entendemos observacionalmente o que acontece dentro de um horizonte de eventos de buracos negros”.
As evidências numéricas reunidas por Pook-Kolb, Schnetter, Krishnan e seu colega Ofek Birnholtz oferecem novas e fascinantes idéias sobre as fusões do BBH. No futuro, suas observações poderão pavimentar o caminho para novos estudos, incluindo tentativas de provar matematicamente a desigualdade de Penrose para configurações astrofísicas genéricas de BBH.
Os pesquisadores agora planejam tentar generalizar sua idéia para outras fusões de buracos negros, como as observadas pela colaboração do LIGO. Isso poderia tornar a teoria que eles criaram utilizável por uma comunidade de pesquisa muito maior.
“O trabalho de generalizar nossa ideia para fusões genéricas está em andamento, e os primeiros resultados baseados na mesma teoria estão chegando”, disseram os pesquisadores. “Estamos extremamente animados para ver o que nos espera em simulações de fusões realistas totalmente gerais!”
Publicado em 03/11/2019
Artigo original: https://phys.org/news/2019-11-numerical-evidence-merger-motss-binary.html
Achou importante? Compartilhe
Assine nossa newsletter e fique informado sobre Astrofísica, Biofísica, Geofísica e outras áreas. Preencha seu e-mail no espaço abaixo e clique em “OK”: