Técnicas estatísticas podem revelar segredos de buracos negros "em ressonância".

 Pesquisadores desenvolveram uma técnica para analisar como os buracos negros "vibram" quando colidem e se fundem: um dos eventos mais dramáticos do universo. Quando buracos negros se fundem, a colisão produz um novo buraco negro, maior, que "vibra" como uma corda de guitarra dedilhada ou um sino enquanto se estabiliza em sua forma final. Mas, em vez de ondas sonoras, o novo buraco negro vibra com ondas gravitacionais: ondulações no espaço-tempo previstas inicialmente por Albert Einstein. 

Crédito: Imagem gerada pela equipe editorial usando IA para fins ilustrativos.

O novo buraco negro vibra em um conjunto específico de frequências, dependendo de sua massa e rotação, o que ajuda os cientistas a aprender sobre o objeto formado na colisão.

Essas vibrações, conhecidas como modos quase-normais, são a assinatura de um buraco negro. Detectá-las é fundamental para testar a teoria da relatividade geral de Einstein nos ambientes gravitacionais mais extremos do universo.

Agora, pesquisadores da Universidade de Cambridge desenvolveram um método para identificar e catalogar esses modos com maior precisão do que antes. Em um artigo publicado na revista Physical Review Letters , eles descrevem como analisaram simulações computacionais de fusões de buracos negros e identificaram não apenas a "nota" fundamental emitida pelo buraco negro, mas também os "sobretons", os harmônicos mais fracos que desaparecem mais rapidamente.

"Embora o modo mais intenso seja rotineiramente observado em dados de ondas gravitacionais, muitos modos mais silenciosos são muito mais difíceis de detectar, e tem havido um debate contínuo sobre quais modos estão presentes e quando eles aparecem", disse Richard Dyer, do Instituto de Astronomia de Cambridge, primeiro autor do estudo. "Nosso método fornece uma maneira sistemática e baseada em dados para resolver essa incerteza, e nossos resultados fornecem uma referência tanto para estudos teóricos quanto para observações reais."

Os pesquisadores basearam seu método na análise Bayesiana , uma técnica estatística que avalia sistematicamente as evidências para determinar a explicação mais provável para um determinado conjunto de dados.

Além das "notas" e "harmônicos" fundamentais, os pesquisadores também encontraram " modos não lineares " incomuns nos dados: vibrações produzidas quando duas ou mais frequências fundamentais interagem entre si. Esses modos são análogos aos tons complexos que uma guitarra elétrica pode produzir quando tocada com distorção pesada. A detecção desses modos requer dados de alta qualidade e análise cuidadosa para distingui-los do ruído.

"O fenômeno de ressonância é uma das sondagens mais diretas que temos sobre buracos negros", disse Dyer. "Mas extrair todas as informações que ele contém é difícil. Queríamos uma maneira fundamentada e baseada em dados para fazer isso." 

Dyer e seu coautor, Dr. Christopher Moore, aplicaram seu método a um catálogo público de simulações altamente precisas que modelam ondas gravitacionais até o limite teórico em que podem ser medidas com clareza. Eles registraram quais modos eram detectáveis ​​e quando, em uma ampla gama de colisões simuladas de buracos negros com diferentes razões de massa e configurações de spin.

Os pesquisadores afirmam que seus resultados serão úteis para a interpretação de dados de detectores de ondas gravitacionais atuais , como o LIGO e o Virgo, e também para detectores de próxima geração. Saber quais frequências procurar em uma determinada colisão poderá permitir que os pesquisadores realizem testes ainda mais precisos da relatividade geral: por exemplo, verificando se as propriedades do buraco negro resultante são consistentes com o que as equações de Einstein preveem.

Phys.org