O que o LIGO nos ensina sobre buracos negros

A crescente contagem de eventos de ondas gravitacionais está nos dando um novo olhar para uma população de buracos negros antes invisível

A concepção deste artista mostra dois buracos negros prestes a fundir, semelhantes aos detectados pelo LIGO. Nesta ilustração, os buracos negros estão orbitando um ao outro em um plano (anéis externos, para demarcação), mas são inclinados em relação a esse plano - em outras palavras, seus eixos de rotação não estão alinhados com o eixo orbital. Os dados do LIGO sugerem que pelo menos um buraco negro no sistema chamado GW170104 não estava alinhado dessa maneira antes de se fundir ao parceiro. Estado LIGO / Caltech / MIT / Sonoma (Aurore Simonnet)

Duas semanas atrás, cientistas anunciaram a detecção de quatro fusões de buracos negros , descobertas graças às ondulações que criaram no tecido do espaço-tempo. Estes últimos eventos trazem o número de tal quebra para 10. (Um dia 11 é a famosa colisão de estrelas de nêutrons duplos ). 

Agora que entramos nos dois dígitos para as descobertas de ondas gravitacionais, gostaria de parar e dar uma olhada no que essas detecções estão revelando como um grupo. Não estamos nem perto do poder estatístico iluminador trazido por milhares de exemplos, como estamos com exoplanetas, mas ainda podemos esboçar uma imagem intrigante.

Buracos negros são criaturas simples; suas duas características definidoras são seu spin e massa. Os astrofísicos medem a rotação do buraco negro como uma fração do máximo teórico, que depende da massa do objeto e de alguns outros números. Os valores variam de 0 (não girando) a 1.

Um sistema binário de buracos negros envolve três giros: a rotação de cada buraco negro individual, mais a revolução dos dois objetos em torno um do outro. Essas rodadas não se alinham necessariamente. Pense em dois topos, em espiral em direção ao outro. Os topos podem ficar em pé, com os eixos perfeitamente perpendiculares ao tampo da mesa. Mas eles também podem se inclinar em vários ângulos, rolar de lado ou até mesmo girar para trás em comparação com a direção do circuito em que cada parte superior traça em torno de seu parceiro.

O mesmo vale para os buracos negros. Com as atuais sensibilidades do detector, é difícil para as equipes LIGO e Virgo identificarem os spins individuais dos membros binários que se unem. Mas eles podem fazer algumas estimativas, e o giro do buraco negro criado é bastante claro.

Desde que as primeiras detecções de ondas gravitacionais começaram a se acumular, eu tenho observado as medições de spin com crescente fascinação. Maya Fishbach (Universidade de Chicago) e seus colegas previram que um buraco negro feito pela fusão de outros dois iria girar a uma taxa que é aproximadamente 70% do seu máximo - independentemente das massas e rotações dos objetos parentes . Um após o outro, cada detecção de LIGO / Virgo confirmou essa previsão.

O que é igualmente interessante, porém, é que nenhum dos membros binários originais parece ter um grande número de disparos. Na reanálise lançada recentemente, as equipes calcularam cada fusão do giro do buraco negro. Apenas dois eventos - GW151226 e GW170729 - envolviam objetos com quaisquer spins detectáveis; o resto é basicamente zero. (Os zeros incluem os buracos negros parentes do GW170104, pelo menos um dos quais os pesquisadores pensavam que giravam para trás . A nova análise, levando em conta melhor o ruído do detector, revisa essa inferência.)

A advertência aqui é que os spins são medidos em termos de quão inclinados eles são comparados ao plano orbital do binário. É possível que os buracos negros binários possam estar girando em ângulos insólitos, invisíveis. Mas os pesquisadores suspeitam que isso não seja apenas uma questão de inclinação escondendo a rotação; os buracos negros realmente têm rodadas menores.

Eu estendi a mão para Fishbach para ajudar a entender o que esses números significam. Tudo se resume a origens, ela explica. Se os membros binários realmente rodarem lentamente ou não girarem, então podemos essencialmente descartar o cenário no qual os pares LIGO / Virgem contêm buracos negros formados a partir de fusões anteriores. Em outras palavras, provavelmente estamos assistindo às colisões de buracos negros de primeira geração, feitos de estrelas.

As massas apóiam essa conclusão, acrescenta ela. Acima de uma massa de cerca de 45 Sóis, deve haver uma lacuna, porque as estrelas que são grandes o suficiente para criar buracos negros nessa faixa, em vez disso, se obliteram em um tipo particularmente destrutivo de explosão que não forma um buraco negro. 

O maior buraco negro binário que o LIGO e o Virgo detectaram é de aproximadamente 50 Sóis - potencialmente problemático para uma criação de supernovas, mas não indubitavelmente na terra de ninguém. Se no futuro o LIGO e o Virgo detectarem buracos negros binários nesta zona proibida, isso seria evidência clara de um buraco negro de segunda geração.

Ainda não conseguimos dizer muito sobre como os binários se juntaram para começar. O GW151226 e o ​​GW170729, os dois únicos eventos com membros claramente giratórios, envolviam buracos negros que giram na mesma direção de sua órbita ao redor um do outro. Isso pode indicar que cada par nasceu como um casal, em vez de se unir mais tarde na vida: Ingenuamente esperaríamos que todas as três rotações do binário se alinhassem se os buracos negros se formaram a partir de um sistema estelar binário, enquanto os buracos negros poderiam ser desalinhado se emparelharam após a sua criação, talvez encontrando-se no centro de um aglomerado globular de estrelas. 

No entanto, os astrônomos debatem esse quadro simplista, já que as supernovas ou as interações binárias poderiam derrubar os buracos negros resultantes. Essa percepção terá que esperar pelo futuro.

Fonte: Skyandtelescope.com