Um buraco negro é bom, mas os astrofísicos podem fazer muito mais ciência com 50 deles.
Quando a primeira colisão de buraco negro foi detectada em 2015, foi um momento decisivo na história da astronomia. Com as ondas gravitacionais, os astrônomos estavam observando o universo de uma maneira totalmente nova. Mas este primeiro evento não revolucionou nossa compreensão dos buracos negros – nem poderia. Essa colisão seria a primeira de muitas, os astrônomos sabiam, e somente com essa recompensa viriam as respostas.
“A primeira descoberta foi a emoção de nossas vidas”, disse Vicky Kalogera, uma astrofísica da Northwestern University e parte da colaboração do Observatório de Ondas Gravitacionais de Interferômetro de Laser (LIGO) que fez a detecção de 2015. “Mas você não pode fazer astrofísica com uma fonte.”
Agora, físicos de ondas gravitacionais como Kalogera dizem que estão entrando em uma nova era da astronomia de buracos negros, impulsionada por um rápido aumento no número de buracos negros que estão observando.
O catálogo mais recente dessas chamadas fusões binárias de buracos negros – o resultado de dois buracos negros espiralando para dentro em direção um ao outro e colidindo – quadruplicou os dados de fusão de buracos negros disponíveis para estudo. Existem agora quase 50 fusões para os astrofísicos examinarem, com outras dezenas sendo esperadas nos próximos meses e centenas mais nos próximos anos.
“A astrofísica do buraco negro está sendo revolucionada por ondas gravitacionais porque os números são muito grandes. E os números estão nos permitindo fazer perguntas qualitativamente diferentes”, disse Kalogera. “Abrimos um tesouro.”
Com base nesses dados, novos estudos estatisticamente conduzidos estão começando a revelar os segredos desses objetos enigmáticos: como os buracos negros se formam e por que eles se fundem. Este crescente estoque de buracos negros também pode oferecer uma nova maneira de sondar a evolução cosmológica – desde o Big Bang até o nascimento das primeiras estrelas e o crescimento das galáxias.
“Eu definitivamente não esperava que olharíamos para essas questões tão cedo após a primeira detecção”, disse Maya Fishbach, astrofísica da Northwestern. “O campo explodiu.”
De onde vêm os buracos negros?
Antes que os buracos negros possam ser usados para estudar o cosmos como um todo, os astrofísicos devem primeiro descobrir como eles são feitos. Duas teorias dominaram o debate até agora.
Alguns astrônomos sugerem que a maioria dos buracos negros se origina no interior de aglomerados de estrelas – regiões que às vezes são um milhão de vezes mais densas do que nosso próprio quintal galáctico. Cada vez que uma estrela muito massiva explode, ela deixa para trás um buraco negro que afunda até o meio do aglomerado de estrelas. O centro do aglomerado se torna espesso com buracos negros, que se entrelaçam pela gravidade em uma dança cósmica fatídica. Os astrônomos chamam isso de formação de buraco negro “dinâmica”.
Outros sugerem que os binários dos buracos negros começam como pares de estrelas em áreas relativamente desertas de galáxias. Depois de uma vida longa e caótica juntos, eles também explodem, criando um par de buracos negros “isolados” que continuam orbitando um ao outro.
“Existe essa percepção de que é uma luta entre os modelos dinâmicos e os isolados”, disse Daniel Holz, astrofísico da Universidade de Chicago.
A tendência de muitos teóricos de defender apenas um canal de formação binária de buraco negro origina-se em parte dos aspectos práticos de trabalhar com poucos dados. “Cada evento foi analisado com amor, obcecado e agitado”, disse Holz. “Faríamos uma detecção e as pessoas tentariam abstrair afirmações muito amplas de um tamanho de amostra de um ou dois buracos negros.”
Na verdade, os astrofísicos usaram essa primeira detecção para argumentar a favor de conclusões opostas. O LIGO encontrou sua primeira fusão de buracos negros com extrema rapidez – antes do início oficial da observação, na verdade – o que sugeriu que os sistemas binários de buracos negros são muito comuns no universo. Como os buracos negros isolados podem se formar em uma ampla gama de ambientes astrofísicos, as teorias que favorecem os buracos negros isolados prevêem que veremos muitas fusões.
Outros apontaram que a primeira fusão apresentava buracos negros incomumente grandes e que a existência desses gigantes apoiava a teoria dinâmica. Esses grandes buracos negros, eles raciocinaram, só poderiam ser feitos no início do universo, quando se pensa que também se formaram aglomerados de estrelas.
No entanto, com uma amostra de um, tais afirmações só poderiam ser uma “suposição fundamentada”, disse Carl Rodriguez, astrofísico da Carnegie Mellon University.
Agora, os dados do catálogo mais recente do LIGO mostram que os binários dos buracos negros são muito menos comuns do que o esperado. Na verdade, a taxa de fusão de buracos negros agora observada pode ser “inteiramente explicada” por aglomerados de estrelas, de acordo com um artigo postado por Rodriguez e seus colaboradores no site de pré-impressão científica arxiv.org no final do mês passado. (A conclusão do artigo é mais medida e sugere que tanto os processos dinâmicos quanto os isolados são importantes.)
Além disso, as novas fusões permitiram uma nova abordagem do quebra-cabeça de onde vêm os buracos negros. Apesar de sua natureza elusiva, os buracos negros são muito simples. Além da massa e da carga, a única característica que um buraco negro pode ter é o spin – uma medida de quão rápido ele gira. Se um par de buracos negros e as estrelas das quais eles se formam viverem toda a vida juntos, o empurrão e puxão constantes alinharão seus giros. Mas se dois buracos negros se encontrarem mais tarde na vida, seus giros serão aleatórios.
Depois de medir a rotação dos buracos negros no conjunto de dados do LIGO, os astrônomos agora sugerem que os cenários dinâmico e isolado são quase igualmente prováveis. Não há “um canal para governar todos eles”, escreveu o astrofísico Michael Zevin e colaboradores em um preprint recente delineando uma série de caminhos diferentes que juntos podem explicar essa nova e crescente população de binários de buracos negros.
“A resposta mais simples nem sempre é a correta”, disse Zevin. “É um cenário mais complicado e certamente um desafio maior. Mas acho que é um problema mais divertido de resolver também. ”
Jovens buracos negros
O LIGO e seu observatório irmão Virgo também se tornaram mais sensíveis ao longo do tempo, o que significa que agora eles podem ver buracos negros em colisão que estão muito mais longe da Terra e muito mais atrás no tempo. “Estamos ouvindo uma grande parte do universo, desde quando o universo era muito mais jovem do que é hoje”, disse Fishbach.
Em um preprint recente, Fishbach e seus colaboradores encontraram indicações de diferenças nos tipos de buracos negros observados em diferentes pontos da história cósmica. Em particular, buracos negros mais pesados parecem ser mais comuns no início da história do universo.
Isso não foi surpresa para muitos astrofísicos; eles esperam que as primeiras estrelas do universo tenham se formado a partir de enormes nuvens de hidrogênio e hélio, o que as tornaria muito maiores do que as estrelas posteriores. Os buracos negros criados a partir dessas estrelas também devem ser enormes.
Mas uma coisa é prever o que aconteceu no início do universo e outra é observá-lo. “Você pode realmente começar a usar [buracos negros] como um traçador de como o universo formou estrelas ao longo do tempo cósmico e como as galáxias que formam essas estrelas e aglomerados de estrelas são montadas. E isso começa a ficar muito legal”, disse Rodriguez.
O estudo é um primeiro passo em direção ao uso de grandes conjuntos de dados de buracos negros como uma ferramenta radical para explorar o cosmos. Os astrônomos criaram um modelo surpreendentemente preciso de como o universo evoluiu, conhecido como Lambda-CDM. Mas nenhum modelo é perfeito. As ondas gravitacionais oferecem uma maneira de medir o universo que é completamente independente de qualquer outro método na história da cosmologia, disse Salvatore Vitale, astrofísico do Massachusetts Institute of Technology. “Se obtiver os mesmos resultados, dormirá melhor à noite. Se você não fizer isso, isso aponta para um potencial mal-entendido.”
Os teóricos agora estão construindo modelos que incluem vários cenários de formação de buracos negros e decifrando como cada um evolui ao longo da história do universo. Os físicos das ondas gravitacionais estão esperançosos de que nos próximos meses e anos eles serão capazes de responder a essas perguntas com confiança.
“Estamos apenas arranhando a superfície”, disse Kalogera. “A amostra ainda é muito pequena para nos dar uma resposta robusta, mas quando tivermos 100 ou 200 dessas [fusões], então acho que teremos respostas claras.
“Não estamos tão longe.”
Publicado em 18/02/2021 00h27
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