Estudo prevê que chirps de buracos negros ocorrem em duas faixas de frequência universais

Eles são misteriosos, emocionantes e inescapáveis – os buracos negros são alguns dos objetos mais exóticos do universo. 

Com detectores de ondas gravitacionais, é possível detectar o chirp que dois buracos negros produzem quando se fundem, aproximadamente 70 desses chirps foram encontrados até agora.

Ondulações no espaço-tempo em torno de um sistema binário de buracos negros em fusão a partir de uma simulação de relatividade numérica. Crédito: Deborah Ferguson, Karan Jani, Deirdre Shoemaker, Pablo Laguna, Georgia Tech, MAYA Collaboration 

Uma equipe de pesquisadores do Instituto de Estudos Teóricos de Heidelberg (HITS) agora prevê que neste “oceano de vozes” os chilros ocorrem preferencialmente em duas faixas de frequência universais. O estudo foi publicado no The Astrophysical Journal Letters.

A descoberta de ondas gravitacionais em 2015 – já postulada por Einstein há 100 anos – levou ao Prêmio Nobel de Física de 2017 e deu início ao surgimento da astronomia de ondas gravitacionais. Quando dois buracos negros de massa estelar se fundem, eles emitem ondas gravitacionais de frequência crescente, o chamado sinal chirp, que pode ser “ouvido” na Terra. A partir da observação dessa evolução de frequência (o chirp), os cientistas podem inferir a chamada “massa do chirp”, uma combinação matemática das duas massas individuais dos buracos negros.

Até agora, assumiu-se que os buracos negros em fusão podem ter qualquer massa. Os modelos da equipe, no entanto, sugerem que alguns buracos negros têm massas padrão que resultam em chirps universais.

“A existência de massas chirp universais não apenas nos diz como os buracos negros se formam”, diz Fabian Schneider, que liderou o estudo no HITS, “também pode ser usado para inferir quais estrelas explodem em supernovas”. Além disso, fornece informações sobre o mecanismo da supernova, física nuclear e estelar incerta e fornece uma nova maneira para os cientistas medirem a expansão cosmológica acelerada do universo.

‘Graves consequências para o destino final das estrelas’

Buracos negros de massa estelar com massas de aproximadamente 3 a 100 vezes o nosso sol são os pontos finais de estrelas massivas que não explodem em supernovas, mas colapsam em buracos negros. Os progenitores de buracos negros que levam a fusões nascem originalmente em sistemas estelares binários e experimentam vários episódios de troca de massa entre os componentes: em particular, ambos os buracos negros são de estrelas que foram arrancadas de seus envelopes.

“A remoção do envelope tem consequências graves para o destino final das estrelas. Por exemplo, torna mais fácil para as estrelas explodirem em uma supernova e também leva a massas de buracos negros universais, como agora previsto por nossas simulações”, disse Philipp Podsiadlowski, de Oxford. University, segundo autor do estudo e atualmente professor convidado Klaus Tschira no HITS. 

O “cemitério estelar” – uma coleção de todas as massas conhecidas de estrelas de nêutrons e restos de buracos negros de estrelas massivas – está crescendo rapidamente graças à sensibilidade cada vez maior dos detectores de ondas gravitacionais e às buscas contínuas por tais objetos. Em particular, parece haver uma lacuna na distribuição das massas chirp de fusão de buracos negros binários, e surgem evidências da existência de picos em aproximadamente oito e 14 massas solares. Esses recursos correspondem aos chirps universais previstos pela equipe HITS.

“Qualquer característica nas distribuições de massas de buracos negros e chirp pode nos dizer muito sobre como esses objetos se formaram”, diz Eva Laplace, terceira autora do estudo.

Não em nossa galáxia: buracos negros com massas muito maiores

Desde a primeira descoberta de fusão de buracos negros, ficou evidente que existem buracos negros com massas muito maiores do que as encontradas em nossa Via Láctea. Isso é uma consequência direta desses buracos negros se originarem de estrelas nascidas com uma composição química diferente da nossa Via Láctea. A equipe do HITS pode agora mostrar que, independentemente da composição química, as estrelas que se tornam despojadas em binários próximos formam buracos negros com menos de nove e mais de 16 massas solares, mas quase nenhum no meio.

Ao fundir buracos negros, as massas universais de buracos negros de aproximadamente nove e 16 massas solares implicam logicamente massas chirp universais, ou seja, sons universais.

“Ao atualizar minha palestra sobre astronomia de ondas gravitacionais, percebi que os observatórios de ondas gravitacionais encontraram os primeiros indícios de uma ausência de massas chirp e uma superabundância exatamente nas massas universais previstas por nossos modelos”, disse Fabian Schneider. “Como o número de fusões de buracos negros observadas ainda é bastante baixo, ainda não está claro se esse sinal nos dados é apenas um acaso estatístico ou não”.

Seja qual for o resultado das futuras observações de ondas gravitacionais: os resultados serão empolgantes e ajudarão os cientistas a entender melhor de onde vêm os buracos negros cantores neste oceano de vozes.

Fonte: phys.org