Num novo artigo publicado na The Astrophysical Journal Letters, a colaboração internacional LIGO-Virgo-KAGRA anuncia a deteção de dois eventos de ondas gravitacionais em outubro e novembro do ano passado, apresentando spins de buracos negros incomuns. Uma observação que traz uma nova peça importante para a nossa compreensão do fenómeno mais evasivo do Universo.
Fusão de dois buracos negros.
Crédito: LIGO/Caltech/MIT.
As ondas gravitacionais são "ondulações" do espaço-tempo que resultam de eventos cataclísmicos no espaço profundo. As ondas mais fortes são produzidas por colisões de buracos negros. Utilizando técnicas algorítmicas sofisticadas e modelos matemáticos, os investigadores conseguem reconstruir muitas características físicas dos buracos negros detetados a partir da análise dos sinais gravitacionais, tais como as suas massas e a distância do evento em relação à Terra, ou ainda a velocidade e a direção da sua rotação em torno do seu eixo, chamada spin.
A primeira das duas fusões do artigo foi detetada a 11 de outubro de 2024 (GW241011). Ocorreu a cerca de 700 milhões de anos-luz e resultou da colisão de dois buracos negros pesando aproximadamente 17 e 7 vezes a massa do Sol. A rotação do maior dos buracos negros em GW241011 é uma das mais rápidas já observadas.
Quase um mês depois, a 10 de novembro de 2024, a segunda fusão, denominada GW241110, foi detetada a cerca de 2,4 mil milhões de anos-luz e envolveu a fusão de buracos negros de aproximadamente 16 e 8 vezes a massa do Sol. Enquanto a maioria dos buracos negros observados gira na mesma direção da sua órbita, o buraco negro principal de GW241110 foi observado a girar numa direção oposta à sua órbita - uma primeira vez deste tipo.
"Cada nova deteção fornece informações importantes sobre o Universo, lembrando-nos que cada fusão observada é simultaneamente uma descoberta astrofísica e um laboratório inestimável para estudar as leis fundamentais da física", declara Carl-Johan Haster, coautor do artigo e investigador docente em astrofísica na Universidade de Nevada, Las Vegas (UNLV). "Binárias como estas tinham sido previstas com base em observações anteriores, mas esta é a primeira evidência direta da sua existência."
Estes dois eventos parecem indicar que poderão ser "buracos negros de segunda geração". "Entre as centenas de eventos que a rede LIGO-Virgo-KAGRA observou, GW241011 e GW241110 estão entre os mais inovadores", afirma Stephen Fairhurst, investigador docente na Universidade de Cardiff e porta-voz da colaboração científica LIGO. "O facto de ambos os eventos apresentarem um buraco negro muito mais massivo do que o outro e em rotação rápida parece indicar que estes buracos negros se formaram a partir de fusões anteriores de buracos negros."
Os cientistas destacam algumas características particulares, nomeadamente a diferença de tamanho entre os buracos negros em cada fusão - o maior tinha quase o dobro do tamanho do mais pequeno - e a orientação do spin dos buracos negros maiores em cada evento. Uma explicação natural para estas particularidades é que os buracos negros são o resultado de coalescências anteriores. Este processo, chamado fusão hierárquica, sugere que estes sistemas se formaram em ambientes densos, como aglomerados estelares, onde os buracos negros têm maior probabilidade de se encontrarem e fundirem repetidamente.
"Estas descobertas destacam as capacidades extraordinárias dos nossos observatórios globais de ondas gravitacionais", declara Gianluca Gemme, investigador do INFN e porta-voz da colaboração Virgo. "As configurações de spin incomuns observadas em GW241011 e GW241110 não só desafiam a nossa compreensão da formação dos buracos negros, como também oferecem evidências convincentes de fusões hierárquicas em ambientes cósmicos densos: ensinam-nos que alguns buracos negros existem não apenas como parceiros isolados, mas provavelmente também como membros de uma multidão densa e dinâmica. Estas descobertas sublinham a importância da colaboração internacional para desvendar os fenómenos mais evasivos e energéticos do Universo."
Descobrir as propriedades ocultas das fusões de buracos negros
As ondas gravitacionais foram previstas pela primeira vez por Albert Einstein no âmbito da sua teoria da relatividade geral em 1916, mas a sua presença - embora comprovada na década de 1970 - não foi observada diretamente pelos cientistas até há apenas 10 anos, quando as colaborações científicas LIGO e Virgo anunciaram a deteção das ondas resultantes de uma fusão de buracos negros.
Hoje, o LIGO-Virgo-KAGRA é uma rede global de detetores de ondas gravitacionais avançados, que se aproxima do fim da sua quarta campanha de observação, O4. A campanha atual começou no final de maio de 2023 e deverá continuar até meados de novembro deste ano. Até à data, foram observadas cerca de 300 fusões de buracos negros através de ondas gravitacionais, incluindo os candidatos identificados na campanha de observação em curso que aguardam a sua validação final.
Por outro lado, a precisão com que GW241011 foi medido também permitiu testar algumas previsões da teoria da relatividade geral de Einstein em condições extremas.
Na verdade, este evento pode ser comparado com as previsões da teoria de Einstein e com a solução do matemático Roy Kerr para buracos negros em rotação. A rotação rápida do buraco negro distorce-o ligeiramente, deixando uma impressão característica nas ondas gravitacionais que emite. Analisando GW241011, a equipa de investigação encontrou uma concordância muito boa com a solução de Kerr e verificou novamente a previsão de Einstein, com uma precisão sem precedentes.
Além disso, porque as massas dos buracos negros individuais diferem consideravelmente, o sinal de ondas gravitacionais contém o "zumbido" de uma harmónica superior - semelhante às harmónicas dos instrumentos musicais - observada apenas pela terceira vez com GW241011. Uma destas harmónicas foi observada com grande clareza e confirma outra previsão da teoria de Einstein.
"Esta descoberta também significa que estamos mais sensíveis do que nunca a qualquer nova física que possa existir para além da teoria de Einstein", conclui Haster.
Pesquisa avançada de partículas elementares
Os buracos negros em rotação rápida, como os observados neste estudo, têm agora uma nova utilidade na física de partículas. Os cientistas podem usá-los para testar a existência de certas partículas elementares hipotéticas.
Estas partículas, chamadas bosões ultra leves, são previstas por algumas teorias para além do Modelo Padrão da física de partículas, que descreve e classifica todas as partículas elementares conhecidas. Se os bosões ultra leves existirem, podem extrair a energia de rotação dos buracos negros. A quantidade de energia extraída e a velocidade a que a rotação dos buracos negros abranda ao longo do tempo dependeria, portanto, da massa destas partículas. O facto de o buraco negro massivo envolvido em GW241011 continuar a girar rapidamente, mesmo milhões ou milhares de milhões de anos após a sua formação, elimina uma ampla gama de massas de bosões ultra leves.
"A deteção e inspeção destes dois eventos demonstram a importância de fazer funcionar os nossos detetores em sinergia e de nos esforçarmos para melhorar a sua sensibilidade", afirma Francesco Pannarale, investigador docente na Universidade de Roma e co-presidente da divisão de ciências observacionais da colaboração LIGO-Virgo-KAGRA. "Os instrumentos LIGO e Virgo ensinaram-nos ainda mais sobre como as binárias de buracos negros podem formar-se no nosso Universo, bem como sobre a física fundamental que as rege. Melhorando os nossos instrumentos, poderemos mergulhar mais profundamente nestes e noutros aspetos com maior precisão."