Cientistas usam a gravidade para descobrir como buracos negros colidem e se fundem

No ano passado,  cientistas anunciaram que finalmente haviam observado ondas gravitacionais, as esquivas e muito procuradas ondulações no tecido do espaço-tempo que foram propostas pela primeira vez por Albert Einstein.

As ondas detectadas por eles vieram de um evento catastrófico – a colisão de dois buracos negros localizados a cerca de 1,3 bilhões de anos-luz de distância da Terra – e a energia liberada ondulou através do universo, assim como ondulações em uma lagoa.

A detecção feita no espaço atualizado do Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser (Advanced LIGO), juntamente com duas descobertas de ondas gravitacionais subsequentes, confirmou uma previsão importante da teoria geral da relatividade de Einstein de 1915.

A data também marcou o início de uma nova era na física, permitindo aos cientistas estudar o universo de uma nova maneira, usando a gravidade ao invés da luz. Mas uma questão fundamental permanece sem resposta: como e por que os buracos negros colidem e se fundem?

Para que buracos negros se fundam, eles devem estar muito próximos um do outro de acordo com padrões astronômicos; não mais do que cerca de um quinto da distância entre a Terra e o Sol. Mas só estrelas com massas muito grandes podem se tornar buracos negros e, durante o curso de suas vidas, essas estrelas se expandem, ficando ainda maiores.

“Paleontologia” das ondas gravitacionais

Um novo estudo publicado na revista “Nature Communications” usa um modelo chamado COMPAS (do inglês Compact Object Mergers: Population Astrophysics and Statistics, que, em tradução literal, significa Fusões de Objetos Compactos: Astrofísica Populacional e Estatística) para tentar responder como grandes estrelas binárias que acabariam se tornando buracos negros cabem em uma órbita muito pequena.

O COMPAS permite que os pesquisadores busquem uma espécie de “paleontologia” das ondas gravitacionais.

“Um paleontólogo, que nunca viu um dinossauro vivo, pode descobrir como o dinossauro era e vivia com base nos restos de seus esqueletos”, explica em um comunicado à imprensa Ilya Mandel, professor da Universidade de Birmingham, no Reino Unido, autor sênior do artigo.

“De forma semelhante, podemos analisar as fusões de buracos negros e usar essas observações para descobrir como essas estrelas interagiram durante suas vidas breves, mas intensas”, acrescenta.

O que eles descobriram foi que mesmo duas estrelas “progenitoras” largamente separadas podem interagir quando expandem, passando por vários episódios de transferência de massa.

Interação estelar

Os pesquisadores começaram analisando os três eventos de ondas gravitacionais que foram detectados pelo LIGO e tentaram ver se as três colisões de buracos negros evoluíram da mesma maneira – que chamam de “evolução binária clássica isolada através de uma fase de envelope comum”.

Este fenômeno começa com duas estrelas progenitoras maciças bastante distantes. À medida que as estrelas se expandem, chegam tão perto que não conseguem escapar da gravidade uma da outra e começam a interagir, passando pelos episódios de transferência de massa. Isto resulta num evento muito rápido, dinamicamente instável, que envolve ambos os núcleos estelares numa nuvem densa de hidrogênio gasoso.

Ejetar esse gás do sistema leva energia para longe da órbita”, disse a equipe. “Isso aproxima as duas estrelas o suficiente para que a emissão de ondas gravitacionais seja eficiente bem no momento em que elas são pequenas o suficiente para que tal proximidade não as coloque em contato”.

São necessários alguns milhões de anos que estas estas estrelas se transformem em dois buracos negros, com um possível retardamento posterior de bilhões de anos antes que os buracos negros se fundam e formem um único buraco negro maior. Mas o evento de fusão, em si, pode ser rápido e violento.

Compreensão detalhada

Os pesquisadores disseram que as simulações com o COMPAS também ajudaram a equipe a entender as propriedades típicas das estrelas binárias que podem chegar a formar essas fusões de buracos negros e os ambientes onde isso pode acontecer.

Por exemplo, a equipe descobriu que uma fusão de dois buracos negros com massas significativamente desiguais seria uma forte indicação de que as estrelas que os formaram eram quase inteiramente compostas de hidrogênio e hélio – as chamadas estrelas de baixa metalicidade – com outros elementos contribuindo com menos de 0,1% da matéria estelar.

Para comparação, esta fração é de cerca de 2% em nosso Sol.

A equipe conseguiu determinar que os três eventos detectados pelo LIGO podem ter se formado em ambientes de baixa metalicidade.

“A beleza do COMPAS é que nos permite combinar todas as nossas observações e começar a juntar o quebra-cabeças de como esses buracos negros se fundem, enviando essas ondulações no espaço-tempo que pudemos observar no LIGO”, explica Simon Stevenson, pesquisador da Universidade de Birmingham e principal autor do artigo.

A equipe continuará a usar o COMPAS para entender melhor como os buracos negros binários descobertos pelo LIGO poderiam ter se formado e como futuras observações poderiam nos dizer ainda mais sobre os eventos mais catastróficos do universo.

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