Fusões de buracos negros podem dar origem a caudas de ondas gravitacionais observáveis.

Buracos negros, regiões do espaço-tempo onde a gravidade é tão forte que nada consegue escapar, são fenômenos cosmológicos intrigantes e amplamente estudados. A teoria da relatividade geral de Einstein prevê que, quando dois buracos negros se fundem, eles emitem ondulações no espaço-tempo conhecidas como ondas gravitacionais.

Crédito: CC0 Domínio Público

Após o desaparecimento das ondas gravitacionais originadas da fusão de buracos negros , vestígios sutis dessas ondas podem permanecer, conhecidos como caudas de ondas gravitacionais tardias . Embora a existência dessas caudas tenha sido amplamente teorizada no passado, ela ainda não foi confirmada de forma conclusiva. 

Pesquisadores do Instituto Niels Bohr, da Universidade de Lisboa e de outros institutos ao redor do mundo realizaram recentemente simulações de fusão de buracos negros baseadas nas equações da relatividade geral de Einstein , para investigar mais a fundo a existência de caudas de ondas gravitacionais em estágios tardios. Suas simulações, descritas em um artigo publicado na revista Physical Review Letters , sugerem que essas caudas não apenas existem, como também podem ter uma amplitude maior do que a prevista inicialmente e, portanto, poderiam ser observadas em experimentos futuros. 

"Quando um buraco negro deformado — produto de uma fusão — retorna ao equilíbrio, ele inicialmente emite uma superposição de frequências vibracionais discretas e bem definidas", disse Marina De Amicis, primeira autora do artigo, ao Phys.org. "Essa fase é chamada de ressonância: um sinal rotineiramente observado em dados reais de ondas gravitacionais, fundamental para testar a relatividade geral em pequenas escalas. Nosso artigo mostra que a ressonância não é o fim da história." 

Essencialmente, De Amicis e seus colegas mostraram que, uma vez que o efeito de reverberação se dissipa, o espaço e o tempo permanecem ligeiramente distorcidos, retornando lentamente ao seu estado original. Ao fazerem isso, produzem um "gemido" final, amplamente conhecido como "cauda". 

"As caudas fornecem informações complementares ao amortecimento e abrem uma nova janela para o estudo da estrutura em larga escala das regiões do nosso universo que contêm um buraco negro", disse De Amicis.

Simulação numérica da fusão de buracos negros

Estudos anteriores previram a existência de caudas de ondas gravitacionais em cenários muito simples. Por exemplo, uma estrutura conhecida como teoria de perturbação previu o surgimento de caudas na forma de pequenas ondulações ao redor de buracos negros massivos .

"Alguns de nós já mostramos que, quando essas ondulações são geradas por um pequeno objeto caindo radialmente em um buraco negro, a cauda é amplificada consideravelmente", disse De Amicis. "No entanto, a relatividade geral de Einstein é muito mais complexa do que o cenário mais simples explorado no passado. Esse foi o objetivo do nosso novo estudo: compreender a previsão da relatividade geral de Einstein em toda a sua complexidade, para a fusão de buracos negros realistas observada em nosso universo."

O principal objetivo deste estudo recente foi determinar se caudas semelhantes também existiam em buracos negros em fusão e, em caso afirmativo, se elas se comportavam de maneira similar às previstas pela teoria de perturbação. Para isso, os pesquisadores realizaram simulações de relatividade numérica, simulações computacionais que resolvem as equações da relatividade de Einstein.

Evolução temporal da derivada temporal da amplitude do modo mais intenso no sinal de ondas gravitacionais, conforme seria observado por nossos detectores. Os resultados são mostrados para diferentes razões de massa dos buracos negros progenitores e comparados com o limite perturbativo de um buraco negro extremamente pequeno caindo em um muito maior. A componente da cauda do sinal corresponde ao comportamento não oscilatório que domina em tempos tardios, após a fase de oscilação ter cessado. O gráfico inserido mostra o expoente da lei de potência no tempo que caracteriza a cauda em tempos tardios. Crédito: De Amicis et al.

"Existem dois desafios principais em 'ver' caudas em simulações de relatividade numérica", explicou De Amicis. "O primeiro é que as caudas são geralmente fracas e tendem a aparecer apenas quando as simulações já estão dominadas por ruído numérico. Para superar isso, nos concentramos em configurações iniciais que amplificam naturalmente a cauda — ou seja, colisões frontais."

O segundo desafio encontrado ao tentar simular caudas com abordagens de relatividade numérica reside na natureza inerente desses sinais sutis e persistentes. Especificamente, as caudas estão profundamente conectadas à vasta região que circunda os buracos negros, mas as simulações numéricas cobrem apenas uma porção limitada do espaço, excluindo assim grande parte do universo simulado.

"Essa truncagem altera a cauda e pode criar artefatos que obscurecem ou até mesmo cancelam o sinal completamente", disse De Amicis. "Conseguimos ampliar a cobertura espacial de nossas simulações para que pudéssemos capturar com precisão a cauda dentro de uma janela de tempo relevante para observações realistas."

Algumas fusões podem amplificar as caudas gravitacionais.

Utilizando essa abordagem, os pesquisadores conseguiram simular fusões de buracos negros com alta precisão. Isso permitiu que eles descobrissem uma nova previsão da teoria da relatividade geral de Einstein, que poderá ser testada em futuros experimentos com detectores de ondas gravitacionais.

"O mais interessante é que esse novo sinal — embora lembre o que se esperava da teoria de perturbação — carrega marcas da capacidade da gravidade de interagir consigo mesma, uma propriedade conhecida como não linearidade", disse De Amicis. 

"A gravidade é uma força fraca , e investigar sua natureza não linear é notoriamente difícil. O que é notável é que não apenas encontramos uma nova maneira de estudar esse aspecto da gravidade, mas a descobrimos em um estágio tardio — muito tempo depois da própria fusão binária, quando se acreditava que os efeitos não lineares já haviam se dissipado."

Este trabalho recente pode ter implicações importantes para pesquisas futuras. De fato, as simulações da equipe sugerem que efeitos não lineares podem ser buscados não apenas durante a breve fase de fusão de dois buracos negros, mas também após a fusão, por um período consideravelmente mais longo.

"Queremos entender o conteúdo não linear da cauda temporal tardia para ver o que essa parte do sinal pode revelar sobre a relatividade geral e a natureza do nosso universo", acrescentou De Amicis.

"Igualmente importante, planejamos avaliar sob qual configuração observacional os sinais da cauda gravitacional podem ser detectados com os observatórios de ondas gravitacionais atuais e futuros , e identificar precisamente quais características do universo essas detecções poderiam nos ajudar a desvendar."

Phys.org