'Limite de velocidade' do buraco negro recém-descoberto sugere novas leis da física

Quando buracos negros supermassivos avançam em direção à colisão, eles podem atingir velocidades de até 1/10 da velocidade da luz, sugere uma nova pesquisa.

As simulações revelam um ponto de inflexão entre a fusão e a dispersão dos buracos negros, onde a velocidade de recuo atinge o máximo. (Crédito da imagem: NASA) 

Os pesquisadores identificaram um novo limite de velocidade para as colisões mais extremas do universo.

De acordo com uma nova pesquisa, a “velocidade máxima de recuo possível” para buracos negros em colisão excede impressionantes 102 milhões de km/h (63 milhões de mph) – cerca de um décimo da  velocidade da luz . Este pico ocorre quando as condições de colisão estão no ponto de inflexão entre os dois buracos negros que se fundem ou se dispersam à medida que se aproximam, de acordo com o estudo publicado na revista Physical Review  Letters .

Em seguida, os investigadores esperam provar matematicamente que esta velocidade não pode ser excedida utilizando as equações de Einstein para a relatividade geral , colocando potenciais implicações para as leis fundamentais da física.

"Estamos apenas arranhando a superfície de algo que poderia ser uma descrição mais universal", disse o co-autor do estudo  Carlos Lousto , professor de matemática e estatística do Rochester Institute of Technology (RIT), em Nova York, ao Live Science. Este limite de velocidade recém-descoberto pode fazer parte de um conjunto maior de leis físicas que afetam tudo “dos menores aos maiores objetos do universo”, disse Lousto.

Tremores na estrutura do espaço-tempo

Quando dois buracos negros passam próximos um do outro, eles se fundem ou desviam em torno de seu centro de massa comum antes de se separarem. Se os buracos negros se separam ou se espiralam entre si depende da sua separação no ponto de maior aproximação.

Para identificar a velocidade de recuo máxima possível dos buracos negros que se separam, Lousto e o co-autor do estudo  James Healy , pesquisador associado da Escola de Matemática e Estatística RIT, usaram supercomputadores para executar simulações numéricas. Esses cálculos percorreram as equações da relatividade geral que descrevem como dois buracos negros em interação irão evoluir.

Lousto explicou que embora as pessoas tenham começado a tentar resolver estas equações numericamente há mais de 50 anos, as  técnicas numéricas para prever o tamanho das ondas gravitacionais  provenientes de tais colisões não foram desenvolvidas até 2005 - apenas 10 anos antes das próprias ondas gravitacionais serem detectadas pela primeira vez por o  Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro Laser (LIGO).

Desde então, o LIGO observou  quase 100 colisões de buracos negros . A comparação dos dados de uma dessas colisões com os dados da relatividade numérica  revelou uma   trajetória “excêntrica” ou elíptica do buraco negro. Anteriormente, os cientistas pensavam que os buracos negros que se aproximavam uns dos outros espiralariam em direcção uns aos outros em órbitas quase circulares, disse Lousto. 

O Telescópio Espacial James Webb observa duas galáxias com buracos negros supermassivos em seus centros em processo de fusão.  (Crédito da imagem: ESA)

A descoberta de órbitas elípticas ampliou a gama de possíveis eventos de colisão e os levou a procurar cenários de colisão extremos. “O que queríamos fazer é ultrapassar os limites dessas colisões”, disse Lousto.

Lousto e Healy observaram como o ajuste de quatro parâmetros afetava o resultado do envolvimento gravitacional entre dois buracos negros: o momento inicial dos buracos negros, a separação entre eles no ponto de maior aproximação, a orientação de qualquer rotação que o buraco negro pudesse ter em torno seu próprio eixo e a magnitude dessa rotação.

Ao executar 1.381 simulações – cada uma das quais durou duas a três semanas – os pesquisadores encontraram um pico nas possíveis velocidades de recuo para buracos negros com rotações opostas passando uns pelos outros. Enquanto os buracos negros emitem radiação gravitacional em todas as direções, os giros opostos distorcem essa radiação, criando um impulso que aumenta a velocidade de recuo.

“O recuo dos buracos negros após a fusão é uma parte crítica de sua interação”,  disse Imre Bartos , professor associado do Departamento de Física da Universidade da Flórida, ao WordsSideKick.com por e-mail. (Bartos não esteve envolvido no novo estudo). Esta interação é especialmente significativa para locais no Universo com uma elevada densidade de buracos negros, uma vez que grandes impulsos de recuo podem  expulsar completamente um buraco negro remanescente da região  .

“Tal como acontece com qualquer quantidade teórica limitante, será interessante ver se a natureza excede isto em alguma situação que possa sinalizar desvios da nossa compreensão de como funcionam os buracos negros”, acrescentou Bartos.

Nova física fundamental

De acordo com Lousto, o “ponto de inflexão” que determina se dois buracos negros em colisão irão se fundir ou recuar está sujeito a um pouco de variabilidade nas órbitas dos buracos negros.

Por causa disso, Lousto compara essa interação a uma transição de fase suave, como as transições de fase de segunda ordem do magnetismo e da  supercondutividade , em oposição às transições de fase explosivas de primeira ordem da água aquecida, por exemplo, onde uma quantidade finita de calor latente é absorvido antes de ferver.

Os investigadores também vislumbraram o que pode assemelhar-se aos factores de escala característicos destas transições de fase, embora sejam necessárias mais simulações de alta resolução para os identificar definitivamente.

No entanto, estes aspectos dos resultados sugerem a possibilidade de “um princípio abrangente” que se aplica a escalas desde átomos até buracos negros em colisão, disse Lousto.

Além disso, embora a união dos dois principais pilares da física fundamental – a relatividade geral para  a gravidade  e a teoria quântica para as outras forças fundamentais – permaneça indefinida, as descrições dos buracos negros estão intimamente ligadas a várias teorias que abriram fendas nas barreiras entre os dois. . 

“Isso está longe de ser uma prova rigorosa”, disse Lousto. "Mas há uma linha que merece mais pesquisas e que talvez outra pessoa ou nós mesmos possamos fazer algo."

Fonte: Space.com