Uma década atrás, os cientistas detectaram pela primeira vez ondulações na estrutura do espaço-tempo, chamadas de ondas gravitacionais, resultantes da colisão de dois buracos negros. Agora, graças à tecnologia aprimorada e a um pouco de sorte, uma nova fusão de buracos negros detectada está fornecendo as evidências mais claras até agora sobre como os buracos negros funcionam — e, nesse processo, oferecendo uma confirmação há muito buscada de previsões fundamentais feitas por Albert Einstein e Stephen Hawking.
As novas medições foram realizadas pelo Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), com análises lideradas pelos astrofísicos Maximiliano Isi e Will Farr do Centro de Astrofísica Computacional do Flatiron Institute em Nova York. Os resultados revelam insights sobre as propriedades dos buracos negros e a natureza fundamental do espaço-tempo, sugerindo como a física quântica e a relatividade geral de Einstein se encaixam.
“Esta é a visão mais clara até agora sobre a natureza dos buracos negros”, diz Isi, que também é professor assistente na Universidade Columbia. “Encontramos algumas das evidências mais fortes até agora de que os buracos negros astrofísicos são os buracos negros previstos pela teoria da relatividade geral de Albert Einstein.”
Os resultados foram reportados em um artigo publicado em 10 de setembro na Physical Review Letters pela colaboração LIGO-Virgo-KAGRA.
Para estrelas massivas, os buracos negros são o estágio final em sua evolução. Os buracos negros são tão densos que nem a luz consegue escapar de sua gravidade. Quando dois buracos negros colidem, o evento distorce o próprio espaço, criando ondulações no espaço-tempo que se espalham pelo universo, como ondas sonoras que ressoam a partir de um sino batido.
Essas ondulações que deformam o espaço, chamadas de ondas gravitacionais, podem dizer aos cientistas muito sobre os objetos que as criaram. Assim como um grande sino de ferro emite sons diferentes de um sino de alumínio menor, o “som” de uma fusão de buracos negros é específico para as propriedades dos buracos negros envolvidos.
Os cientistas podem detectar ondas gravitacionais com instrumentos especiais em observatórios como o LIGO nos Estados Unidos, o Virgo na Itália e o KAGRA no Japão. Esses instrumentos medem cuidadosamente quanto tempo leva para um laser percorrer um determinado caminho. À medida que as ondas gravitacionais esticam e comprimem o espaço-tempo, o comprimento do instrumento, e, portanto, o tempo de viagem da luz, muda de forma minúscula. Medindo essas pequenas mudanças com grande precisão, os cientistas podem usá-las para determinar as características dos buracos negros.
As ondas gravitacionais recém-relatadas foram encontradas como resultado de uma fusão que formou um buraco negro com a massa de 63 sóis e girando a 100 revoluções por segundo. As descobertas vêm 10 anos após o LIGO ter feito a primeira detecção de fusão de buracos negros. Desde essa descoberta marcante, melhorias nos equipamentos e técnicas permitiram aos cientistas obter uma visão muito mais clara desses eventos que abalam o espaço.
“O novo par de buracos negros é quase como um gêmeo da histórica primeira detecção em 2015”, diz Isi. “Mas os instrumentos são muito melhores, então conseguimos analisar o sinal de maneiras que simplesmente não eram possíveis há 10 anos.”
Com esses novos sinais, Isi e seus colegas obtiveram uma visão completa da colisão desde o momento em que os buracos negros começaram a colidir até as reverberações finais enquanto o buraco negro fundido se estabelecia em seu novo estado, o que aconteceu apenas milissegundos após o primeiro contato.
Anteriormente, as reverberações finais eram difíceis de capturar, pois nesse ponto, o eco do buraco negro seria muito fraco. Como resultado, os cientistas não conseguiram separar o eco da colisão do eco do buraco negro final em si.
Em 2021, Isi liderou um estudo que apresentou um método inovador que ele, Farr e outros desenvolveram para isolar certas frequências — ou ‘tonalidades’ — usando dados da fusão de buracos negros de 2015. Esse método se mostrou poderoso, mas as medições de 2015 não eram suficientemente claras para confirmar previsões-chave sobre buracos negros. Com as novas medições mais precisas, no entanto, Isi e seus colegas estavam mais confiantes de que conseguiram isolar com sucesso o sinal de milissegundos do buraco negro final e estabelecido. Isso possibilitou testes mais inequívocos sobre a natureza dos buracos negros.
“Dez milissegundos parece realmente curto, mas nossos instrumentos estão tão melhores agora que esse tempo é suficiente para realmente analisarmos a reverberação do buraco negro final”, diz Isi. “Com essa nova detecção, temos uma visão exquisite e detalhada do sinal tanto antes quanto depois da fusão do buraco negro.”
As novas observações permitiram que os cientistas testassem uma conjectura fundamental que remonta a décadas, de que os buracos negros são objetos fundamentalmente simples. Em 1963, o físico Roy Kerr usou a relatividade geral de Einstein para descrever matematicamente buracos negros com uma única equação. A equação mostrava que os buracos negros astrofísicos podem ser descritos apenas por duas características: giro e massa. Com os novos dados de maior qualidade, os cientistas conseguiram medir a frequência e a duração da reverberação do buraco negro fundido com maior precisão do que nunca. Isso permitiu que eles vissem que, de fato, o buraco negro fundido é um objeto simples, descrito apenas por sua massa e giro.
As observações também foram usadas para testar uma ideia fundamental proposta por Stephen Hawking, chamada de teorema da área de Hawking. Este teorema afirma que o tamanho do horizonte de eventos de um buraco negro — a linha além da qual nada, nem mesmo a luz, pode retornar — só pode crescer. Testar se esse teorema se aplica requer medições excepcionais de buracos negros antes e após sua fusão. Após a primeira detecção de fusão de buracos negros em 2015, Hawking se perguntou se a assinatura da fusão poderia ser usada para confirmar seu teorema. Na época, ninguém achava que isso fosse possível.
Em 2019, um ano após a morte de Hawking, os métodos haviam melhorado o suficiente para que uma primeira confirmação tentadora surgisse utilizando técnicas desenvolvidas por Isi, Farr, e colegas. Com quatro vezes mais resolução, os novos dados dão aos cientistas muito mais confiança de que o teorema de Hawking está correto.
Ao confirmar o teorema de Hawking, os resultados também insinuam conexões com a segunda lei da termodinâmica. Essa lei afirma que uma propriedade que mede a desordem de um sistema, conhecida como entropia, deve aumentar ou, pelo menos, permanecer constante ao longo do tempo. Compreender a termodinâmica dos buracos negros pode levar a avanços em outras áreas da física, incluindo a gravidade quântica, que visa unir a relatividade geral com a física quântica.
“É realmente profundo que o tamanho do horizonte de eventos de um buraco negro se comporte como entropia”, diz Isi. “Isso tem implicações teóricas muito profundas e significa que alguns aspectos dos buracos negros podem ser usados para investigar matematicamente a verdadeira natureza do espaço e do tempo.”
Muitos suspeitam que futuras detecções de fusões de buracos negros revelarão ainda mais sobre a natureza desses objetos. Na próxima década, espera-se que os detectores se tornem 10 vezes mais sensíveis do que hoje, permitindo testes mais rigorosos das características dos buracos negros.
“Ouvir os tons emitidos por esses buracos negros é nossa melhor esperança para aprender sobre as propriedades dos espaços-tempos extremos que eles produzem”, diz Farr, que também é professor na Universidade Stony Brook. “E à medida que construímos mais e melhores detectores de ondas gravitacionais, a precisão continuará a melhorar.”
“Por tanto tempo, este campo tem sido pura especulação matemática e teórica”, diz Isi. “Mas agora estamos em uma posição de realmente ver esses processos incríveis em ação, o que destaca o quanto avançamos — e continuaremos a avançar — neste campo.”