Observação de "buracos negros de segunda geração"

A detecção de duas fusões singulares de buracos negros, com apenas um mês de intervalo no final de 2024, amplia nossa compreensão da natureza e evolução das colisões mais violentas do Universo. Certas características dessas fusões sugerem a possibilidade de "buracos negros de segunda geração", que seriam o resultado de coalescências anteriores, provavelmente ocorrendo em ambientes cósmicos muito densos e congestionados, como aglomerados estelares, onde os buracos negros têm maior probabilidade de se encontrar e se fundir repetidamente.

Fusão de dois buracos negros. Crédito: LIGO/Caltech/MIT.

Em um novo artigo publicado no The Astrophysical Journal Letters, a colaboração internacional LIGO-Virgo-KAGRA anuncia a detecção de dois eventos de ondas gravitacionais em outubro e novembro do ano passado, exibindo rotações incomuns de buracos negros. Essa observação fornece uma nova e importante peça do quebra-cabeça para a nossa compreensão do fenômeno mais elusivo do Universo.

Ondas gravitacionais são ondulações no espaço-tempo resultantes de eventos cataclísmicos no espaço profundo. As ondas mais fortes são produzidas por colisões de buracos negros. Usando técnicas algorítmicas sofisticadas e modelos matemáticos, os pesquisadores conseguem reconstruir muitas características físicas dos buracos negros detectados a partir da análise de sinais gravitacionais, como sua massa e a distância do evento em relação à Terra, bem como a velocidade e a direção de sua rotação em torno de seu eixo, conhecida como spin.

A primeira das duas fusões descritas no artigo foi detectada em 11 de outubro de 2024 (GW241011). Ela ocorreu a aproximadamente 700 milhões de anos-luz de distância e resultou da colisão de dois buracos negros com massas cerca de 17 e 7 vezes a do Sol. A rotação do maior dos dois buracos negros em GW241011 está entre as mais rápidas já observadas.

Quase um mês depois, em 10 de novembro de 2024, a segunda fusão, denominada GW241110, foi detectada a uma distância de aproximadamente 2,4 bilhões de anos-luz e envolveu a fusão de buracos negros com massas cerca de 16 e 8 vezes a do Sol. Enquanto a maioria dos buracos negros observados gira na mesma direção de suas órbitas, o buraco negro primário do GW241110 foi observado girando na direção oposta à sua órbita — um fato inédito.

" Cada nova detecção fornece informações importantes sobre o Universo, lembrando-nos de que cada fusão observada é tanto uma descoberta astrofísica quanto um laboratório inestimável para o estudo das leis fundamentais da física ", afirma Carl-Johan Haster, coautor do artigo e professor de pesquisa em astrofísica na Universidade de Nevada, Las Vegas (UNLV). " Sistemas binários como esses já haviam sido previstos com base em observações anteriores, mas esta é a primeira evidência direta de sua existência. "

Esses dois eventos sugerem que eles podem ser "buracos negros de segunda geração". " Dos centenas de eventos observados pela rede LIGO-Virgo-KAGRA, GW241011 e GW241110 estão entre os mais inéditos ", afirma Stephen Fairhurst, professor de pesquisa da Universidade de Cardiff e porta-voz da colaboração científica LIGO . " O fato de ambos os eventos apresentarem um buraco negro muito mais massivo que o outro e girando rapidamente sugere que esses buracos negros foram formados a partir da fusão de buracos negros anteriores. "

Os cientistas destacam algumas características distintivas, incluindo a diferença de tamanho entre os buracos negros em cada fusão — o maior tinha quase o dobro do tamanho do menor — e a orientação de rotação dos buracos negros maiores em cada evento. Uma explicação natural para essas peculiaridades é que os buracos negros sejam o resultado de coalescências anteriores. Esse processo, chamado de fusões hierárquicas, sugere que esses sistemas se formaram em ambientes densos, como aglomerados estelares, onde os buracos negros têm maior probabilidade de se encontrar e se fundir repetidamente.

" Essas descobertas destacam as capacidades extraordinárias de nossos observatórios globais de ondas gravitacionais ", afirma Gianluca Gemme, pesquisador do INFN e porta-voz da colaboração Virgo. " As configurações de rotação incomuns observadas em GW241011 e GW241110 não apenas desafiam nossa compreensão da formação de buracos negros, mas também fornecem evidências convincentes de fusões hierárquicas em ambientes cósmicos densos: elas nos dizem que alguns buracos negros existem não apenas como parceiros isolados, mas provavelmente também como membros de uma multidão densa e dinâmica. Essas descobertas ressaltam a importância da colaboração internacional para desvendar os fenômenos mais elusivos e energéticos do Universo. "

Descobrindo as propriedades ocultas das fusões de buracos negros

As ondas gravitacionais foram previstas pela primeira vez por Albert Einstein como parte de sua teoria da relatividade geral em 1916, mas sua existência — embora comprovada na década de 1970 — só foi observada diretamente por cientistas há apenas 10 anos, quando as colaborações científicas LIGO e Virgo anunciaram a detecção de ondas após a fusão de buracos negros.

Hoje, o LIGO-Virgo-KAGRA é uma rede global de detectores avançados de ondas gravitacionais, que se aproxima do fim de sua quarta campanha de observação, O4. A campanha atual começou no final de maio de 2023 e deve continuar até meados de novembro deste ano. Até o momento, aproximadamente 300 fusões de buracos negros foram observadas usando ondas gravitacionais, incluindo os candidatos identificados na campanha de observação em andamento que aguardam confirmação final.

Por outro lado, a precisão com que o evento GW241011 foi medido também permitiu que os pesquisadores testassem certas previsões da teoria da relatividade geral de Einstein sob condições extremas.

De fato, este evento pode ser comparado às previsões da teoria de Einstein e à solução do matemático Roy Kerr para buracos negros em rotação. A rápida rotação do buraco negro o distorce ligeiramente, deixando uma marca característica nas ondas gravitacionais que ele emite. Ao analisar o evento GW241011, a equipe de pesquisa encontrou uma excelente concordância com a solução de Kerr e reverificou a previsão de Einstein com uma precisão sem precedentes.

Além disso, como as massas dos buracos negros individuais diferem consideravelmente, o sinal da onda gravitacional contém o "zumbido" de um harmônico superior — semelhante aos harmônicos de instrumentos musicais — observado pela terceira vez com o GW241011. Um desses harmônicos foi observado com grande clareza e confirma outra previsão da teoria de Einstein.

" Esta descoberta também significa que estamos mais sensíveis do que nunca a qualquer nova física que possa estar além da teoria de Einstein ", conclui Haster.

Busca avançada por partículas elementares

Buracos negros em rápida rotação, como os observados neste estudo, agora têm uma nova aplicação na física de partículas. Os cientistas podem usá-los para testar a existência de certas partículas elementares hipotéticas.

Essas partículas, chamadas bósons ultraleves, são previstas por algumas teorias além do Modelo Padrão da física de partículas, que descreve e classifica todas as partículas elementares conhecidas. Se os bósons ultraleves existirem, eles podem extrair energia rotacional dos buracos negros. A quantidade de energia extraída e a taxa na qual a rotação dos buracos negros diminui ao longo do tempo dependeriam, portanto, da massa dessas partículas. O fato de o buraco negro massivo envolvido no evento GW241011 continuar girando rapidamente, mesmo milhões ou bilhões de anos após sua formação, elimina uma ampla gama de massas de bósons ultraleves.

"A detecção e a análise desses dois eventos demonstram a importância de operar nossos detectores em sinergia e buscar aprimorar sua sensibilidade ", afirma Francesco Pannarale, professor pesquisador da Universidade de Roma e co-presidente da Divisão de Ciências Observacionais da Colaboração LIGO-Virgo-KAGRA. " Os instrumentos LIGO e Virgo nos ensinaram ainda mais sobre como os sistemas binários de buracos negros podem se formar em nosso Universo, bem como sobre a física fundamental que os rege. Ao aprimorarmos nossos instrumentos, seremos capazes de nos aprofundar nesses e em outros aspectos com maior precisão. "

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