O Observatório LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) fez uma terceira detecção de ondas gravitacionais – ondulações no espaço-tempo -, demonstrando que uma nova janela na astronomia foi efetivamente aberta.

Do mesmo modo que as duas primeiras detecções, as ondas foram geradas quando dois buracos negros colidiram para formar um buraco negro maior.

O novo buraco negro, formado pela fusão, tem uma massa de cerca de 49 vezes a do nosso sol. Isso preenche um buraco entre as massas dos dois buracos negros detectados anteriormente pelo LIGO, de 62 vezes a do sol (primeira detecção) e 21 vezes a do sol (segunda detecção).

“Temos uma confirmação adicional da existência de buracos negros de massa estelar maiores do que 20 massas solares – são objetos que não sabíamos se de fato existiam antes de LIGO detectá-los”, explicou David Shoemaker, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, porta-voz da Colaboração Científica LIGO, um corpo de mais de 1.000 cientistas internacionais que realizam pesquisa no observatório, juntamente com a Colaboração Virgo com base na Europa.

Antes, os cientistas não pensavam que existiam muitos destes. Agora, pode ser que eles sejam bastante comuns.

“Se tivéssemos observado por um longo período e não tivessemos visto uma terceira incorporação de buraco negro … nós teria começado a coçar a cabeça dizendo: ‘Será que acabamos tem muita sorte que vimos estes dois eventos extremamente raros?’” David Reitze, diretor executivo do LIGO Laboratório e um professor de física no Instituto de Tecnologia da Califórnia. “Agora acho que podemos dizer com segurança que esse não é o caso. Eu acho que é emocionante.”

As detecções de buracos negros por LIGO poderiam ajudar os cientistas a aprender como os buracos negros desse tamanho – aqueles com dezenas de vezes a massa do Sol, ou os chamados buracos negros de massa estelar – nascem, e o que faz com que eles colidam fundindo em um novo único buraco negro. Um artigo que descreve a nova descoberta inclui alguns indícios sobre as rotações dos dois buracos negros original, que é um passo inicial na aprendizagem com o meio ambiente onde se formaram e como eles acabaram colidindo.

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Crédito: Colaboração LIGO / Caltech / MIT / SXS

As detecções

A LIGO fez a primeira observação direta de ondas gravitacionais em setembro de 2015. A segunda detecção foi feita em dezembro de 2015. A terceira, chamada GW170104 e realizada em 4 de janeiro de 2017, foi descrita em um novo artigo aceito para publicação no periódico Physical Review Letters.

Em todos os três casos, cada um dos detectores gêmeos do LIGO identificou ondas gravitacionais das fusões tremendamente enérgicas de pares de buracos negros.

A detecção recente parece ser a mais distante já vista, com os buracos negros localizados a cerca de 3 bilhões de anos-luz de distância. Os buracos negros na primeira e segunda detecções estavam localizados a 1,3 e 1,4 bilhões de anos-luz de distância, respectivamente.

Ondulações no espaço-tempo

LIGO (sigla para Interferometer Gravitational-Wave Observatory Laser) foi o primeiro experimento na história para detectar diretamente as ondas gravitacionais – ondulações no tecido universal conhecido como espaço-tempo que foi pela primeira vez previsto por Albert Einstein.

As ondas gravitacionais criados por esta nova colisão buraco negro teve que viajar por todo o universo de 3 bilhões de anos antes de chegarem Terra. Isso significa que esta nova incorporação buraco negro ocorreu há mais de duas vezes mais longe da Terra como as primeiras e segundas fusões de buracos negros detectados por LIGO. As ondas gravitacionais dessas colisões de buracos negros viajou por 1,3 bilhões e 1,4 bilhões de anos para chegar à Terra, respectivamente.

O físico famoso mostrou que o espaço e o tempo são fundamentalmente ligada, de modo que quando o espaço é distorcida, o tempo pode retardar ou acelerar.

As ondas gravitacionais criadas por esta colisão de buracos negros teve que viajar por todo o universo 3 bilhões de anos antes de chegarem Terra. Isso significa que esta nova incorporação do buraco negro ocorreu duas vezes mais longe da Terra do que as primeiras e segundas fusões de buracos negros detectadas. As ondas gravitacionais dessas colisões de buracos negros viajaram por 1,3 bilhões e 1,4 bilhões de anos para chegar à Terra, respectivamente.

A história de GW170104

Cerca de três bilhões de anos atrás, quando a Terra era um mundo oceânico habitado unicamente por organismos unicelulares, um par de buracos negros colidiu em uma região distante do universo, deixando para trás um único buraco negro cerca de 50 vezes mais pesado do que o nosso sol.

Emitindo nenhuma luz, todo o evento deveria ter permanecido perdido para sempre no vazio.

Em vez disso, no entanto, a violência invisível dos momentos finais do par foi tão grande que sacudiu o tecido da própria realidade, enviando ondas gravitacionais que se propagaram à velocidade da luz.

Nas primeiras horas da manhã de 4 de janeiro de 2017, essas ondas chegaram ao instrumento científico mais preciso já construído, o Observatório LIGO.

Por mais inconcebível que possa parecer, esse tipo de detecção agora está se tornando rotina. Primeiro previstas por Einstein há mais de um século como consequência de sua teoria da relatividade geral, não tínhamos sequer confirmação da existência de ondas gravitacionais até pouco tempo, mas agora estamos na terceira medição desse fenômeno interessante, solidificando a descoberta para além de erros estatísticos.

Spin

A mais nova observação também fornece pistas sobre as direções em que os buracos negros estão girando. À medida que os pares circulam um ao outro, eles também giram em seus próprios eixos. Às vezes, os buracos negros giram na mesma direção orbital geral que o par está se movendo – o que os astrônomos se referem como rotações alinhadas -, e às vezes giram na direção oposta. Além disso, os buracos negros também podem ser inclinados para longe do plano orbital.

Os novos dados LIGO não podem determinar se os buracos negros recentemente observados estão inclinados, mas pelo menos um dos buracos negros pode não estar alinhado em relação ao movimento orbital geral.

Mais observações são necessárias para dizer qualquer coisa definitiva sobre as rotações de buracos negros binários, mas esses dados iniciais oferecem pistas sobre como esses pares podem se formar.

“Esta é a primeira vez que temos evidências de que os buracos negros podem não estar alinhados, dando-nos apenas uma pequena sugestão de que buracos negros binários podem se formar em densos conjuntos estelares”, disse Bangalore Sathyaprakash, da Universidade Estadual da Pensilvânia e da Universidade de Cardiff, um dos autores do novo artigo.

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Crédito: S. Ossokine / A. Buonanno / T. Dietrich (MPI para gravitacional Física) / R. Haas (NCSA) do projeto / SXS

Formação de buracos negros binários

Existem dois modelos principais para explicar como pares binários de buracos negros podem ser formados. O primeiro propõe que os buracos negros nascem juntos: eles se formam quando cada estrela em um par de estrelas explode, e como elas giravam alinhadas, os buracos negros provavelmente permanecem alinhados.

No outro modelo, os buracos negros se juntam mais tarde na vida dentro de aglomerados estelares lotados. Eles se unem depois de se afundarem no centro de um conjunto de estrelas. Nesse cenário, os buracos negros podem girar em qualquer direção em relação ao seu movimento orbital.

Como o LIGO vê alguma evidência de que os buracos negros GW170104 não estão alinhados, os dados favorecem ligeiramente esta segunda teoria.

“Estamos começando a coletar estatísticas reais sobre os sistemas binários de buracos negros”, afirma Keita Kawabe, da Instituto de Tecnologia da Califórnia, também autora do artigo. “Isso é interessante porque alguns modelos de formação binária de buracos negros são favorecidos sobre os outros e, no futuro, podemos reduzir ainda mais isso”.

Dispersão

O estudo também testou mais uma teoria de Albert Einstein. Os pesquisadores procuraram um efeito chamado dispersão, que ocorre quando as ondas de luz em um meio físico, como o vidro, viajam a diferentes velocidades, dependendo do seu comprimento de onda – é assim que um prisma cria um arco-íris, por exemplo.

A teoria geral da relatividade de Einstein proíbe a dispersão de acontecer em ondas gravitacionais à medida que se propagam de sua origem para a Terra. O LIGO não encontrou evidências desse efeito.

“Parece que Einstein estava certo”, disse Laura Cadonati, do Instituto de Tecnologia da Geórgia.

No futuro

A equipe LIGO-Virgo continua a pesquisar os dados mais recentes para detectar sinais de ondulações espaciais.

Eles também estão trabalhando em atualizações técnicas para a próxima execução do observatório, programada para o final de 2018.

“Com a terceira detecção confirmada de ondas gravitacionais da colisão de dois buracos negros, o LIGO está se estabelecendo como um poderoso observatório para revelar o lado escuro do universo”, disse David Reitze, do Instituto de Tecnologia da Califórnia. “Enquanto ele é ideal para observar esses tipos de eventos, esperamos ver outros também em breve, como a colisão violenta de duas estrelas de nêutrons”.

[Phys, ScientificAmerican, TheVerge, Live Science]