Dois buracos negros supermassivos foram detectados colidindo com apenas um mês de intervalo no final de 2024, remodelando a forma como os cientistas interpretam os eventos cósmicos mais extremos do universo. Esta fusão gêmea não só fornece novos insights sobre como os buracos negros se formam e evoluem, mas também confirma as previsões da teoria geral da relatividade de Albert Einstein com uma precisão incomparável. As descobertas podem ajudar os investigadores a descobrir partículas novas e não descobertas que podem extrair energia dos buracos negros.
Em um estudo publicado em 28 de outubro Cartas de diários astrofísicosA colaboração internacional LIGO-Virgo-KAGRA anunciou a detecção de dois sinais extraordinários de ondas gravitacionais de buracos negros com padrões de rotação incomuns registrados em outubro e novembro do ano passado.
Ondulações no espaço e no tempo revelam colisões cósmicas
Ondas gravitacionais são pequenas ondulações no espaço-tempo que ocorrem quando objetos celestes massivos colidem ou se fundem. O sinal mais forte vem da colisão de buracos negros. O primeiro evento, GW241011 (11 de outubro de 2024), ocorreu a cerca de 700 milhões de anos-luz da Terra, quando dois buracos negros – cerca de 20 e 6 vezes a massa do nosso Sol – se fundiram. O maior deles foi identificado como o buraco negro de rotação mais rápida já observado.
Cerca de um mês depois, um segundo evento, GW241110 (10 de novembro de 2024), foi detectado a cerca de 2,4 bilhões de anos-luz de distância. Esta fusão envolveu buracos negros com cerca de 17 e 8 massas solares. Ao contrário da maioria dos buracos negros que giram na mesma direção nas suas órbitas, o buraco negro principal do GW241110 gira na direção oposta, marcando a primeira observação de tal configuração.
“Cada nova deteção fornece informações importantes sobre o Universo, lembrando-nos que cada fusão observada é tanto uma descoberta astrofísica, mas também um laboratório inestimável para explorar as leis fundamentais da física,” disse o coautor Karl-Johan Haster, professor assistente de astrofísica na Universidade Navigas de Laviegas. “Binários como este foram previstos em observações anteriores, mas esta é a primeira evidência direta da sua existência”.
Revelando a vida secreta da fusão de buracos negros
Einstein previu pela primeira vez a existência de ondas gravitacionais em 1916 como parte de sua teoria geral da relatividade. A sua existência foi indiretamente confirmada na década de 1970, mas os cientistas não os observaram diretamente até 2015, quando o Observatório LIGO detectou ondas criadas pela fusão de um buraco negro.
Hoje, a rede LIGO-Virgo-KAGRA funciona como um sistema global de detectores avançados. A equipa está atualmente na sua quarta missão de observação, conhecida como O4, que começou em maio de 2023 e continuará até meados de novembro de 2025. Até à data, foram detetadas cerca de 300 fusões de buracos negros, incluindo candidatos encontrados durante esta execução em curso.
A recente detecção de GW241011 e GW241110 mostra até que ponto a astronomia de ondas gravitacionais avançou para desvendar o funcionamento interno dos sistemas de buracos negros. Ambos os fenômenos indicam que alguns desses buracos negros podem ser de “segunda geração”, formados a partir de resquícios de fusões anteriores.
“GW241011 e GW241110 são os mais novos das centenas observados pela rede Ligo-Virgo-Cagra”, disse Stephen Fairhurst, professor da Universidade de Cardiff e porta-voz da Colaboração Científica LIGO. “Em ambos os eventos, um buraco negro que é significativamente mais massivo e gira mais rápido que o outro, eles fornecem evidências tentadoras de que esses buracos negros se formaram a partir de fusões anteriores de buracos negros.”
Os investigadores notaram vários padrões intrigantes, incluindo a grande diferença de massa entre o par de buracos negros – o maior tem quase o dobro da massa do seu companheiro – e direções de rotação incomuns. Estas propriedades indicam que os buracos negros se formam através de um processo chamado fusões hierárquicas, onde buracos negros em regiões densas colidem múltiplas vezes durante a sua vida.
“Essas duas fusões de buracos negros binários nos fornecem alguns dos insights mais emocionantes sobre as vidas passadas dos buracos negros”, disse o coautor e professor assistente Thomas Callister, do Williams College. “Eles ensinam-nos que alguns buracos negros existem não apenas como parceiros isolados, mas como membros de uma multidão densa e dinâmica. No futuro, esperamos que estes eventos e outras observações possam ensinar-nos mais sobre o ambiente astrofísico que acolhe esta multidão.”
Testando a teoria de Einstein sob condições extremas
A extraordinária precisão da detecção do GW241011 permitiu aos investigadores testar a teoria geral da relatividade de Einstein num dos ambientes mais extremos alguma vez medidos. Como este fenómeno foi capturado de forma tão clara, os cientistas puderam comparar os resultados com as previsões feitas pelas equações de Einstein e pela descrição de Roy Kerr dos buracos negros em rotação.
A rápida rotação do GW241011 distorceu ligeiramente a sua forma, deixando uma impressão digital única nas ondas gravitacionais. A análise dos dados mostrou uma correspondência excepcional com o modelo de Kerr, confirmando as previsões de Einstein com precisão recorde.
A diferença significativa nas massas dos buracos negros em colisão cria um “harmônico superior”, um tipo de harmônico ouvido em um instrumento musical. Esta característica rara, vista claramente apenas pela terceira vez, constitui outro teste bem-sucedido da teoria de Einstein.
“O poder do GW241011, combinado com as propriedades extremas dos seus componentes de buraco negro, proporciona uma forma sem precedentes de testar a nossa compreensão dos buracos negros,” disse Haster. “Sabemos agora que os buracos negros têm a forma prevista por Einstein e Kerr, e a relatividade geral pode acrescentar mais dois pontos à sua lista de muitos sucessos. Esta descoberta significa que estamos mais sensíveis do que nunca a qualquer nova física que esteja fora da teoria de Einstein.”
Procurando pistas para novas partículas
Buracos negros em rotação rápida como o observado neste estudo têm agora outra aplicação – na física de partículas. Os cientistas podem usá-los para testar se certas partículas elementares hipotéticas de peso leve existem e quão massivas elas são.
Essas partículas, chamadas de bósons ultraleves, são previstas por algumas teorias que vão além do Modelo Padrão da física de partículas, que descreve e classifica todas as partículas elementares conhecidas. Se existirem bósons ultraleves, eles podem extrair energia rotacional dos buracos negros. A quantidade de energia extraída e o quanto a rotação do buraco negro diminui ao longo do tempo depende da massa dessas partículas, que ainda é desconhecida.
A observação de que o buraco negro massivo no sistema binário que emitiu GW241011 continua a rodar rapidamente mesmo depois de milhões ou milhares de milhões de anos exclui uma vasta gama de massas de bósons ultraleves.
“Atualizações planeadas para os detetores LIGO, Virgo e KAGRA permitirão novas observações de sistemas semelhantes, permitindo-nos compreender melhor tanto a física fundamental que rege estes binários de buracos negros como os processos astrofísicos que levam à sua formação”.
Joe Giaime, chefe do LIGO Livingston Observatory, observou que os cientistas e engenheiros do LIGO fizeram melhorias nos detectores nos últimos anos, resultando em medições precisas de ondas coerentes que permitem as observações precisas necessárias para GW241011 e GW241110.
“A sensibilidade aprimorada não só permite que o LIGO detecte muito mais sinais, mas também uma compreensão mais profunda daqueles que detectamos”, disse ele.
