Para fazer dois buracos negros colidirem, tente três

Como os buracos negros se fundem e produzem ondas gravitacionais? Talvez com uma pequena ajuda de seus amigos.

A dança em espiral de um par de buracos negros em colisão deve durar bilhões de anos. No entanto, capturamos cerca de 10 colisões de buracos negros desde 2016 - muito mais do que esperávamos. Algum processo deve estar em ação para acelerar o processo de colisão, para fazer com que os buracos negros se reúnam mais rapidamente do que o previsto.

O problema começa antes que os buracos negros se formem. Buracos negros são essencialmente relíquias mortas de estrelas massivas. À medida que essas estrelas progenitoras envelhecem, elas passam por uma fase quando se expandem para estrelas supergigantes várias vezes seu tamanho original. Nesse ponto, se duas estrelas estão orbitando juntas, uma será submersa na outra e o par colidirá antes de se tornar um buraco negro.

Isso sugere que qualquer par de grandes buracos negros deve começar sua existência extremamente distante - tão distante que as colisões serão extremamente raras. E, no entanto, essas colisões são bastante comuns. "Nós, teóricos, gostamos muito quando há um novo quebra-cabeça", disse Smadar Naoz , astrofísico teórico da Universidade da Califórnia, em Los Angeles. "Todo mundo está pulando com novas idéias."

Então, como você pode obter pares de buracos negros juntos que nunca foram pares supergigantes juntos? Uma explicação potencial sustenta que duas estrelas maciças podem se afastar e se aproximar à medida que desmoronam em buracos negros. Ou talvez algumas estrelas colapsem sem nunca se transformar em estrelas supergigantes, ou buracos negros solitários se encontram e se unem para formar pares.

Nos últimos anos, outra idéia apareceu. Sob as condições corretas, um terceiro objeto pode desencadear um processo que aproxima um par de objetos. Esse efeito de três corpos fornece uma maneira de estrelas massivas distantes colapsarem primeiro em buracos negros e depois se aproximarem o suficiente para colidir. E como estrelas massivas geralmente estão em sistemas triplos, os pesquisadores dizem que é importante levar esse efeito de três corpos em consideração.

Para entender como esse processo pode funcionar, imagine a Terra e a lua girando entre si. Esses dois traçarão órbitas constantes em torno de seu centro de massa comum quase indefinidamente - a menos que algo interfira.

Um terceiro objeto não afetaria necessariamente a estabilidade do sistema Terra-Lua, desde que os três objetos girassem no mesmo plano (como a maioria dos objetos do sistema solar).

No entanto, os objetos no espaço não se limitam, em geral, a uma única superfície plana. Imagine o terceiro objeto girando em torno do sistema Terra-Lua em ângulo, para que as órbitas não fiquem alinhadas. Se o ângulo entre as órbitas for grande o suficiente, os efeitos gravitacionais do terceiro objeto podem interferir nas órbitas da Terra e da lua.

Seus caminhos se estenderão em longas elipses, que separam os objetos muito antes de os aproximarem mais. Quando estão mais próximos, outros efeitos podem aumentar ainda mais suas órbitas. Eventualmente, a Terra e a lua podem colidir umas com as outras, com consequências cataclísmicas para ambos.

No mundo dos buracos negros, esse processo de três corpos, ou "canal", tem alguns sabores diferentes. O terceiro objeto pode ser um buraco negro de massa estelar ou uma estrela massiva que ainda não entrou em colapso. Poderia até ser um dos buracos negros supermassivos encontrados no centro da maioria das galáxias. Nesse caso, duas estrelas massivas no centro galáctico colapsam e se tornam buracos negros.

Esse par de buracos negros menores e o buraco negro supermassivo formam um sistema de três corpos. O buraco negro supermassivo pode até provocar efeitos especiais da relatividade geral que tornam mais provável a fusão de dois buracos negros menores, relataram pesquisadores em um artigo publicado no site científico de pré-impressão arxiv.org em junho.

"A beleza deste canal é que existem muito poucas incertezas na maneira como os buracos negros se fundem", disse Fabio Antonini , astrofísico da Universidade de Surrey, que publicou vários trabalhos sobre a idéia. "É apenas gravidade, é apenas dinâmica."

Mas, como todos os outros canais de formação propostos para fusões de buracos negros, o processo triplo tem partes que os pesquisadores ainda precisam descobrir. Por exemplo, não está claro com que frequência as órbitas dos sistemas de estrela tripla serão anguladas o suficiente para provocar o efeito.

Uma vantagem central dessa idéia é que ela pode ser testada. Os buracos negros que se fundem no processo triplo devem ter órbitas menos circulares ou mais excêntricas do que as dos buracos negros que se fundem em um sistema binário imperturbável. Os cientistas podem medir as excentricidades das órbitas dos buracos negros em um futuro próximo, disse Daniel Holz , astrofísico da Universidade de Chicago e membro da colaboração LIGO, que busca as ondas gravitacionais provenientes de colisões de buracos negros.

"Parte do que os torna empolgantes é que você pode acabar com sistemas, por exemplo, com alta excentricidade", disse Holz, que não estuda o processo do sistema triplo. "E se isso é algo que você pode medir, então isso seria uma espécie de arma de fumaça que algo sofisticado está acontecendo."

As rotações dos buracos negros também podem dizer aos cientistas se uma fusão ocorreu por causa de um processo de sistema triplo. Se um sistema binário de um buraco negro se formou através da evolução de duas estrelas sem a influência de outros corpos, eles deveriam estar girando e orbitando mais ou menos na mesma direção - como dois patinadores de gelo girando no sentido horário enquanto andam no sentido horário um do outro.

Mas de acordo com o trabalho de astrofísicos como Dong Lai e Bin Liuda Universidade de Cornell, a interferência de outros objetos, como um terceiro corpo em um sistema triplo, pode inclinar as órbitas do buraco negro, de modo que seus eixos orbitais e eixos de rotação estejam em ângulo um com o outro. É difícil medir o efeito diretamente com a tecnologia atual, mas os pesquisadores esperam encontrar novas maneiras inteligentes de inferir esses alinhamentos de rotação.

Portanto, embora ainda seja muito cedo para dizer exatamente como os buracos negros se aproximam o suficiente para se fundirem, os pesquisadores estão mantendo o problema como um exemplo de por que as detecções de ondas gravitacionais são tão importantes.

 "Você não quer apenas ter observações de ondas gravitacionais por conta própria", disse Ilya Mandel , astrofísica da Universidade Monash, na Austrália. "Você deseja usá-los como sondas para estudar coisas que, de outra forma, são difíceis de entender e difíceis de medir diretamente."

Fonte: Quantamagazine.org