Duas colisões colossais de buracos negros, detectadas com apenas um mês de diferença no final de 2024, estão reformulando a forma como os cientistas interpretam os eventos cósmicos mais extremos do universo. Essas fusões gêmeas não apenas oferecem novas perspectivas sobre como os buracos negros se formam e evoluem, mas também confirmam, com precisão sem igual, as previsões da teoria da relatividade geral de Albert Einstein. As descobertas podem também ajudar os pesquisadores a descobrir novas partículas ainda não identificadas que poderiam extrair energia dos buracos negros.
Em um estudo publicado em 28 de outubro na The Astrophysical Journal Letters, a colaboração internacional LIGO-Virgo-KAGRA anunciou a detecção de dois notáveis sinais de ondas gravitacionais provenientes de buracos negros com padrões de rotação incomuns registrados em outubro e novembro do ano passado.
Ondulações no Espaço e no Tempo Revelam Colisões Cósmicas
As ondas gravitacionais são pequenas ondulações no espaço-tempo que ocorrem quando grandes objetos celestes colidem ou se fundem. Os sinais mais fortes vêm da colisão de buracos negros. O primeiro evento, GW241011 (11 de outubro de 2024), ocorreu a cerca de 700 milhões de anos-luz da Terra, quando dois buracos negros — com massas de cerca de 20 e 6 vezes a massa do nosso sol — se fundiram. O maior foi identificado como um dos buracos negros em rotação mais rápida já observados.
Cerca de um mês depois, um segundo evento, GW241110 (10 de novembro de 2024), foi detectado a aproximadamente 2,4 bilhões de anos-luz de distância. Essa fusão envolveu buracos negros pesando aproximadamente 17 e 8 massas solares. Diferentemente da maioria dos buracos negros que giram na mesma direção de sua órbita, o buraco negro principal em GW241110 girava na direção oposta, marcando a primeira observação de tal configuração.
“Cada nova detecção fornece importantes insights sobre o universo, lembrando-nos de que cada fusão observada é tanto uma descoberta astrofísica quanto um laboratório inestimável para investigar as leis fundamentais da física,” disse Carl-Johan Haster, coautor e professor assistente de astrofísica na Universidade de Nevada, Las Vegas (UNLV). “Binários como estes tinham sido previstos em observações anteriores, mas esta é a primeira evidência direta para sua existência.”
Revelando as Vidas Secretas dos Buracos Negros em Fusão
Einstein previu pela primeira vez a existência de ondas gravitacionais em 1916 como parte de sua teoria da relatividade geral. Sua existência foi confirmada indiretamente na década de 1970, mas os cientistas não as observaram diretamente até 2015, quando o observatório LIGO detectou ondas criadas por uma fusão de buracos negros.
Atualmente, a rede LIGO-Virgo-KAGRA opera como um sistema global de detectores avançados. A equipe está atualmente em sua quarta campanha de observação, conhecida como O4, que começou em maio de 2023 e continuará até meados de novembro de 2025. Até agora, cerca de 300 fusões de buracos negros foram detectadas, incluindo candidatos encontrados durante esta execução em andamento.
A detecção recente de GW241011 e GW241110 demonstra o quanto a astronomia de ondas gravitacionais avançou na descoberta dos mecanismos internos dos sistemas de buracos negros. Ambos os eventos sugerem que alguns desses buracos negros poderiam ser “de segunda geração”, formados a partir dos remanescentes de fusões anteriores.
“GW241011 e GW241110 estão entre os eventos mais novos entre os vários centenas que a rede LIGO-Virgo-KAGRA observou,” disse Stephen Fairhurst, professor da Universidade de Cardiff e porta-voz da Colaboração Científica LIGO. “Com ambos os eventos apresentando um buraco negro que é significativamente mais maciço que o outro e em rápida rotação, eles oferecem evidências tentadoras de que esses buracos negros foram formados a partir de fusões anteriores de buracos negros.”
Os pesquisadores notaram vários padrões intrigantes, incluindo grandes diferenças de massa entre os buracos negros emparelhados — o maior sendo quase duas vezes mais massivo que seu companheiro — e direções incomuns de rotação. Essas características sugerem que os buracos negros se formaram através de um processo chamado fusão hierárquica, no qual buracos negros em regiões densamente povoadas, como aglomerados estelares, colidem várias vezes ao longo de suas vidas.
“Essas duas fusões de buracos negros binários nos oferecem alguns dos insights mais empolgantes sobre as vidas anteriores dos buracos negros,” disse Thomas Callister, coautor e professor assistente no Williams College. “Elas nos ensinam que alguns buracos negros não existem apenas como parceiros isolados, mas provavelmente como membros de uma multidão densa e dinâmica. No futuro, a esperança é que esses eventos e outras observações nos ensinem mais e mais sobre os ambientes astrofísicos que abrigam essas multidões.”
Testando a Teoria de Einstein em Condições Extremas
A precisão extraordinária da detecção de GW241011 deu aos pesquisadores uma oportunidade de testar a relatividade geral de Einstein em um dos ambientes mais extremos já medidos. Como este evento foi capturado de forma tão clara, os cientistas puderam comparar os resultados com as previsões das equações de Einstein e a solução de Roy Kerr que descreve buracos negros em rotação.
A rotação rápida de GW241011 distorceu ligeiramente sua forma, deixando uma impressão digital única nas ondas gravitacionais. A análise dos dados mostrou uma correspondência excepcional com o modelo de Kerr, confirmando as previsões de Einstein com precisão recorde.
A diferença significativa nas massas dos buracos negros colidindo também produziu um “harmônico superior”, uma espécie de overtones semelhante ao que é ouvido em instrumentos musicais. Esse recurso raro, visto claramente apenas pela terceira vez, fornece mais um teste bem-sucedido da teoria de Einstein.
“A força de GW241011, combinada com as propriedades extremas de seus componentes de buraco negro, oferece meios sem precedentes para testar nossa compreensão dos próprios buracos negros,” diz Haster. “Agora sabemos que os buracos negros têm a forma que Einstein e Kerr previram, e a relatividade geral pode adicionar mais duas marcas em sua lista de muitos sucessos. Esta descoberta também significa que estamos mais sensíveis do que nunca a qualquer nova física que possa estar além da teoria de Einstein.”
Buscando Pistas para Novas Partículas
Buracos negros em rápida rotação, como os observados neste estudo, agora têm mais uma aplicação — na física de partículas. Os cientistas podem usá-los para testar se certas partículas elementares leves, que se supõe existirem, estão presentes e qual é a sua massa.
Essas partículas, chamadas de bosons ultraleves, são previstas por algumas teorias que vão além do Modelo Padrão da física de partículas, que descreve e classifica todas as partículas elementares conhecidas. Se os bosons ultraleves existirem, eles podem extrair energia rotacional dos buracos negros. A quantidade de energia extraída e o quanto a rotação dos buracos negros desacelera ao longo do tempo depende da massa dessas partículas, que ainda é desconhecida.
A observação de que o buraco negro massivo no sistema binário que emitiu GW241011 continua a girar rapidamente mesmo milhões ou bilhões de anos após sua formação descarta uma ampla gama de massas de bosons ultraleves.
“Atualizações planejadas nos detectores LIGO, Virgo e KAGRA permitirão novas observações de sistemas similares, capacitando-nos a entender melhor tanto a física fundamental que governa esses binários de buracos negros quanto os mecanismos astrofísicos que levam à sua formação,” disse Fairhurst.
Joe Giaime, chefe do local do Observatório LIGO em Livingston, observou que os cientistas e engenheiros do LIGO fizeram melhorias nos detectores nos últimos anos, o que resultou em medições precisas das formas de fusão que permitem os tipos de observações sutis necessárias para GW241011 e GW241110.
“Uma melhor sensibilidade não apenas permite que o LIGO detecte muitos mais sinais, mas também possibilita uma compreensão mais profunda dos que detectamos,” disse ele.
