Colisão de buracos negros "anel" através do espaço-tempo com ondulações de ondas gravitacionais

Um novo modelo sugere como as ondas gravitacionais criadas pela colisão entre buracos negros se espalham e interagem dentro do tecido do espaço-tempo.

Ilustração de dois buracos negros orbitando um ao outro, emitindo ondas gravitacionais. (Crédito da imagem: Mark Garlick/Science Photo Library/Getty Images)

Quando os buracos negros colidem e se fundem para formar buracos negros ainda mais massivos, esse processo violento envia ondulações surgindo através do próprio tecido do espaço. Um novo modelo indica como essas ondas gravitacionais interagem umas com as outras à medida que se espalham pelo espaço-tempo, a unificação do espaço e do tempo popularizada pela teoria da relatividade especial de Albert Einstein. 

Ao apresentar uma imagem mais clara de como as colisões de buracos negros definem o "toque" espaço-temporal, o modelo poderia indicar como os cientistas na Terra podem aprender mais sobre os eventos que os lançam usando detectores de ondas gravitacionais, como o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser (LIGO). O LIGO fez a primeira detecção de ondas gravitacionais da fusão de buracos negros em 2015, com o sinal a ser nomeado GW150914. 

Anteriormente, quando os físicos modelavam as fusões de buracos negros e as ondas gravitacionais que eles enviam através do espaço, eles só o faziam com matemática linear, sem considerar como essas ondas influenciam ou interagem umas com as outras à medida que se propagam para fora. Ao levar essas interações em conta, uma equipe de pesquisadores acredita que pode modelar colisões de buracos negros com mais detalhes, revelando o que é conhecido como efeitos não lineares e colocando a relatividade geral à prova quando se trata de buracos negros.

A chave para este novo modelo de supercomputador, criado pelo Simulating eXtreme Spacetimes(abre em nova aba) (SXS) equipe, está simulando essas colisões e ondas gravitacionais em mais detalhes para revelar esses efeitos não-lineares. 

"Os efeitos não lineares são o que acontece quando as ondas na crista da praia caem", disse o estudante de pós-graduação do Instituto de Tecnologia da Califórnia (CalTech) e membro da equipe do SXS, Keefe Mitman, em um comunicado.(abre em nova aba) "As ondas interagem e influenciam umas às outras, em vez de andar sozinhas. Com algo tão violento quanto uma fusão de buracos negros, esperávamos esses efeitos, mas não os tínhamos visto em nossos modelos até agora." 

Mitman continuou acrescentando que os novos métodos da equipe do SXS para extrair as formas de onda de suas simulações tornaram possível ver os efeitos não lineares da propagação de ondas gravitacionais. 

Modelos de ondas gravitacionais lineares vs não lineares

Mitman fez uma analogia para descrever a diferença entre modelos de ondas gravitacionais lineares e não lineares. 

"Imagine que há duas pessoas em um trampolim. Se eles pulam suavemente, eles não devem influenciar tanto a outra pessoa. É o que acontece quando dizemos que uma teoria é linear", explicou. "Mas se uma pessoa começa a saltar com mais energia, então o trampolim vai distorcer, e a outra pessoa vai começar a sentir a sua influência. 

"Isto é o que queremos dizer com não-linear: as duas pessoas no trampolim experimentam novas oscilações por causa da presença e influência da outra pessoa." 

Nas novas simulações, as colisões de buracos negros produzem novos tipos de ondas, com Mitman dizendo que cavar mais fundo sob as ondas gravitacionais maiores revela novas ondas adicionais com sua própria frequência única.

Ilustração de dois buracos negros orbitando um ao outro, emitindo ondas gravitacionais. (Crédito da imagem: Mark Garlick/Science Photo Library/Getty Images)

O fundador da equipe SXS é Saul Teukolsky Robinson Professor de Astrofísica Teórica na CalTech e na Universidade de Cornell. Ele também foi o primeiro a entender como usar as equações da relatividade geral para modelar o estágio de colisão de buracos negros chamado "o ringdown", que acontece imediatamente após os dois objetos celestes terem colidido e se fundido e em que ponto as ondas gravitacionais estão em sua maior amplitude.

Supercomputadores são necessários para realizar um cálculo preciso de todo o sinal: a inspiração dos dois buracos negros em órbita, sua fusão e a fixação em um único buraco negro remanescente quiescente", disse Teukolsky. O novo tratamento não linear desta fase permitirá uma modelagem mais precisa das ondas e, eventualmente, novos testes sobre se a relatividade geral é, de fato, a teoria correta da gravidade para buracos negros. 

A equipe do SXS espera que as descobertas preparem o terreno para a próxima geração de detecções de ondas gravitacionais, o que deve aprofundar nossa compreensão desse fenômeno previsto pela primeira vez em 1915, mas detectado apenas 100 anos depois, e da gravidade em geral. 

A pesquisa da equipe está documentada em um artigo(abre em nova aba) no repositório de artigos ArXiv e publicado em 21 de fevereiro na revista Physical Review Letters.

Fonte: Space.com