Como as ondas gravitacionais podem "ver dentro" dos buracos negros

O que se esconde no centro de um buraco negro? Estudar as ondulações espaço-temporais de colisões de buracos negros poderia revelar uma resposta.

Uma ilustração de dois buracos negros em fusão (Crédito da imagem: ESA)

Os buracos negros são alguns dos objetos mais enigmáticos do universo. Isso ocorre em parte porque as equações da relatividade geral que usamos para entendê-las se quebram ao estudar os centros ultradensos dos buracos negros. No entanto, um novo artigo mostra como os astrônomos poderiam um dia superar esse desafio usando ondas gravitacionais para "ver" dentro de buracos negros em fusão e aprender do que eles realmente são feitos.

Na teoria geral da relatividade de Einstein, os buracos negros são objetos que impedem a luz de escapar devido à sua gravidade extremamente forte. O limite de um buraco negro é conhecido como horizonte de eventos – se você passar além desse limiar, nunca conseguirá sair. A relatividade também prevê que os centros dos buracos negros são pontos de densidades infinitamente altas, conhecidos como singularidades.

A presença de singularidades significa que as próprias equações estão se quebrando; os infinitos começam a aparecer na matemática, o que impede novos cálculos. Portanto, sabemos que a relatividade geral é incompleta. Deve haver uma teoria mais fundamental, provavelmente ligada à física quântica das escalas subatômicas, que possa descrever adequadamente o que está acontecendo no centro de um buraco negro.

Ainda não temos nenhuma teoria quântica completa da gravidade, mas temos vários candidatos. Por exemplo, há a teoria das cordas, que prevê que todas as partículas no universo são realmente feitas de cordas vibratórias ultraminúsculas. Há também a gravidade quântica em loop, que diz que o próprio espaço-tempo é feito de pedaços minúsculos e indivisíveis, como pixels em uma tela de computador.

Ambas as abordagens podem substituir a singularidade tradicional no centro de um buraco negro por outra coisa. Mas quando você substitui a singularidade, você geralmente também elimina o horizonte de eventos. Isso porque o horizonte de eventos é causado pela atração gravitacional infinita da singularidade. Sem a singularidade, a atração gravitacional é simplesmente incrivelmente forte, mas não infinita, e assim você é sempre capaz de escapar da vizinhança de um buraco negro, desde que fuja com velocidade suficiente.

Em algumas variações da teoria das cordas, a singularidade e os horizontes de eventos são substituídos por redes entrelaçadas de nós emaranhados do espaço-tempo. Na gravidade quântica em loop, a singularidade se torna uma pepita extremamente pequena e extremamente densa de matéria exótica. Em outros modelos, todo o buraco negro é substituído por uma fina camada de matéria, ou por aglomerados de novos tipos de partículas especulativas.

Mistério do buraco negro

Com os buracos negros conhecidos mais próximos a milhares de anos-luz de distância, é difícil testar esses modelos. Mas, ocasionalmente, os buracos negros nos enviam informações cruciais, especialmente quando se fundem. Quando o fazem, eles liberam inundações de ondas gravitacionais, que são ondulações no espaço-tempo que podem ser detectadas com instrumentos sensíveis na Terra, como o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser (LIGO) e os experimentos VIRGO.

Até agora, todas as observações de fusões de buracos negros concordam com o modelo de buraco negro de baunilha previsto pela relatividade geral. Mas isso pode mudar no futuro, à medida que novas gerações de observatórios de ondas gravitacionais entrarem em operação, sugere um artigo publicado em 30 de novembro na revista de preprints arXiv.

A chave não são as ondas gravitacionais emitidas durante a fusão em si, mas aquelas emitidas logo depois, de acordo com o artigo. Quando a fusão termina e os dois buracos negros se tornam um único objeto, a nova massa fundida está vibrando com uma quantidade intensa de energia, como um sino tocado. Esta fase de "ringdown" tem uma assinatura de onda gravitacional distinta.

Ao estudar essas assinaturas, os pesquisadores podem um dia ser capazes de dizer quais teorias de buracos negros se sustentam e quais não. Cada modelo de buraco negro prevê diferenças nas ondas gravitacionais emitidas durante a fase de ringdown, que resultam de diferenças na estrutura interior do buraco negro. Com diferentes estruturas de buracos negros, diferentes tipos de ondas gravitacionais saem.

Os astrônomos esperam que a próxima geração de detectores de ondas gravitacionais seja sensível o suficiente para detectar essas pequenas mudanças previstas na assinatura do anel. Se o fizerem, alterarão radicalmente nossa concepção de buracos negros e nos levarão adiante no desemaranhamento de seus mistérios mais profundos.

Fonte: livescience.com