Em uma pesquisa recente, um cientista da Universidade de Princeton realizou o primeiro estudo não linear da fusão de um imitador de buraco negro, com o objetivo de entender a natureza dos sinais de ondas gravitacionais emitidos por esses objetos, o que poderia ajudar a identificar buracos negros com mais precisão.

Os imitadores de buracos negros são objetos astronômicos hipotéticos que imitam buracos negros, especificamente em seus sinais de ondas gravitacionais e seus efeitos em objetos ao redor. No entanto, eles não têm um horizonte de eventos, que é o ponto sem retorno.

A pesquisa foi conduzida por Nils Siemonsen, pesquisador associado da Universidade de Princeton, que falou sobre seu trabalho.

"Mimicers de buracos negros são objetos notavelmente próximos de buracos negros, mas sem um horizonte de eventos. Observacionalmente, podemos ser capazes de distinguir buracos negros de objetos que imitam a maioria de suas propriedades usando observações de ondas gravitacionais", disse ele.

O estudo, publicado na Physical Review Letters , foca em um tipo de imitador de buraco negro chamado estrelas bóson. A chave para distingui-los de buracos negros , de acordo com o Dr. Siemonsen, está nas ondas gravitacionais emitidas quando estrelas bóson colidem e se fundem.

Estrelas de bósons são um dos candidatos potenciais para imitadores de buracos negros e, como o nome sugere, consistem em bósons. Bósons são partículas subatômicas, como fótons e a partícula de Higgs.

Estrelas de bósons consistem em bósons escalares como os axions hipotéticos, que são bósons sem spin, o que significa que não têm momento angular intrínseco. Os campos escalares das partículas formam uma configuração estável e gravitacionalmente ligada, sem precisar de interação forte.

Pesquisas anteriores mostraram que a fusão de um sistema binário de bósons leva a sinais de ondas gravitacionais, que são ondulações no espaço-tempo causadas por processos violentos.

Esses sinais são universalmente idênticos aos de um anel de buraco negro (ou fase pós-fusão), independentemente da estrutura interna do imitador do buraco negro.

A diferença nos sinais de ondas gravitacionais emitidas é vista após um tempo de travessia da luz no interior do imitador, que é o tempo que a luz leva para percorrer o diâmetro do imitador, que neste caso é a estrela bóson.

No caso de um imitador de buraco negro, isso é caracterizado por ecos gravitacionais repetidos, semelhantes a explosões.

Com o objetivo de refinar pesquisas anteriores, o Dr. Siemonsen procurou abordar questões como a falta de consideração por efeitos gravitacionais não lineares e a exclusão de autointerações entre a matéria do objeto.

Tratamento não linear e autoconsistente de imitadores de buracos negros

Para abordar as limitações dos estudos anteriores, o Dr. Siemonsen usou simulações numéricas para resolver as equações completas de Einstein-Klein-Gordon, que descrevem a evolução de campos escalares, como aqueles em estrelas de bósons.

Para a fusão, o estudo se concentrou em cenários de grande razão de massa, ou seja, a fusão de uma estrela de bósons menor com uma maior e mais compacta, com as equações de Klein-Gordon descrevendo a colisão frontal do sistema estelar binário.

A equação de Klein-Gordon, juntamente com as equações de campo de Einstein, que descrevem a dinâmica gravitacional, permite o estudo da evolução autoconsistente do sistema.

Para resolver o conjunto de equações, o Dr. Siemonsen usou a técnica de relaxamento de Newton-Raphson com os métodos de diferenças finitas de quinta ordem.

Ele explicou os desafios com a implementação dessas técnicas: "Somente sob certas condições um imitador de buraco negro se forma a partir da fusão de duas estrelas bóson. A região na solução, onde isso ocorre, é particularmente desafiadora de simular devido à grande separação de escalas."

Para superar isso, métodos como refinamento de malha adaptável e resolução muito alta foram usados.

As simulações revelaram que o sinal de onda gravitacional do ringdown contém um componente semelhante a uma explosão com propriedades diferentes, como se acreditava anteriormente, bem como um componente de onda gravitacional de longa duração.

"Nenhum desses componentes está presente em uma fusão e ringdown de buraco negro binário regular. Isso pode orientar futuras buscas de ondas gravitacionais com foco em testar o paradigma do buraco negro", explicou o Dr. Siemonsen.

Entretanto, o sinal inicial da onda gravitacional de um imitador é semelhante ao de um buraco negro em rotação, conhecido como buraco negro de Kerr, pois a estrela bóson primária (ou maior) se torna mais compacta e densa.

O estudo descobriu que o momento das explosões depende do tamanho da estrela bóson menor envolvida na fusão.

Além disso, eles encontraram um componente de longa duração com uma frequência comparável ao que seria esperado de um buraco negro, provavelmente devido às oscilações do objeto remanescente.

"Buracos negros se acomodam em seu estado quiescente em escalas de tempo muito curtas. Os imitadores de buracos negros, por outro lado, são genericamente acreditados para reemitar parte da energia disponível na fusão na forma de ondas gravitacionais durante o anelamento deste último em escalas de tempo relativamente longas", explicou o Dr. Siemonsen.

Por fim, o estudo revelou que a energia total emitida nas ondas gravitacionais é significativamente maior do que a esperada em um evento equivalente de fusão de buracos negros.

Os dois componentes identificados no estudo podem ser usados como um diferenciador entre um remanescente de fusão de buraco negro e um imitador de buraco negro.

"No entanto, ainda há muitas questões sem resposta sobre as propriedades de imitadores de buracos negros bem motivados e suas dinâmicas de fusão e redução", acrescentou o Dr. Siemonsen.

Falando sobre trabalho futuro, ele observou: "Uma direção futura interessante é considerar um imitador de buraco negro bem motivado e entender sua dinâmica de espiral, fusão e anel no contexto de um binário.

"Além disso, analisar o retorno desses imitadores bem motivados usando técnicas perturbativas e conectá-los a tratamentos não lineares é crucial para orientar testes futuros do paradigma do buraco negro usando observações de ondas gravitacionais."