Em um novo estudo da Physical Review Letters , pesquisadores acompanharam com sucesso a jornada completa de uma onda gravitacional do passado infinito ao futuro infinito quando ela encontra um buraco negro.

Relatado por cientistas da Universidade de Otago e da Universidade de Canterbury, o estudo representa a primeira vez que alguém capturou a relação completa de causa e efeito da dispersão de ondas gravitacionais em uma única simulação.

Os pesquisadores estão abordando o problema do espalhamento na física gravitacional. Em outras palavras, eles querem entender o que acontece com as ondas gravitacionais quando elas encontram objetos massivos (como buracos negros) e se espalham por eles.

Eles precisam rastrear ondas do infinito nulo passado (onde as ondas gravitacionais incidentes se originam no espaço-tempo) até o infinito nulo futuro (onde a radiação emitida finalmente viaja).

Elas representam os limites semelhantes à luz do universo, de onde as ondas gravitacionais vêm e vão se viajarem para sempre sem serem interrompidas.

"Mostramos, pela primeira vez, que é possível seguir uma onda gravitacional enquanto ela viaja pelo espaço-tempo curvo de um buraco negro, do passado infinito ao futuro infinito", explicou o Dr. Stevens.

"A necessidade de incorporar o infinito nos permite calcular a energia e o momento totais do espaço-tempo. Isso pode nos dizer quanta energia da onda gravitacional é transmitida ao buraco negro e quanta escapa para o infinito de forma rigorosa", acrescentou Thwala.

Para rastrear a trajetória de uma onda gravitacional, os pesquisadores precisavam abordar o problema do infinito.

Na teoria da relatividade geral de Einstein, sistemas isolados como buracos negros existem em espaços-tempos assintoticamente planos. São regiões que se tornam planas e vazias a distâncias infinitas.

Esses limites, chamados de infinitos nulos, representam onde a luz e as ondas gravitacionais se originam (infinito nulo passado) e para onde elas finalmente viajam (infinito nulo futuro).

As simulações tradicionais só conseguem capturar regiões finitas do espaço-tempo, perdendo a visão completa de como as ondas viajam de suas origens até seus destinos finais. Em essência, elas não contam a história completa.

"Nosso trabalho resolve a onda gravitacional no infinito nulo passado, desenvolve as equações de Einstein totalmente não lineares através do espaço-tempo do buraco negro e extrai naturalmente a forma de onda gravitacional no infinito nulo futuro", explicou o Prof. Frauendiener.

Essa abordagem abrangente fornece o que os pesquisadores chamam de verdadeira relação de causa e efeito entre a radiação que entra e sai.

Os pesquisadores utilizaram as Equações de Campo Conformes Generalizadas (GCFE) de Friedrich, uma estrutura matemática que redimensiona o espaço-tempo para trazer distâncias infinitas para um domínio computacional finito. Isso torna o infinito acessível.

Para resolver as equações da evolução, os pesquisadores criaram um pacote de software personalizado conhecido como COnFormal Field Equation Evolver (COFFEE). Usando o COFFEE, os pesquisadores simularam pulsos de ondas gravitacionais de intensidades variadas encontrando um buraco negro de Schwarzschild.

Os pesquisadores testaram uma série de amplitudes de ondas, monitorando quanta de sua energia foi absorvida e quanta foi espalhada ao encontrar o buraco negro.

Suas simulações revelaram que o espaço-tempo é excepcionalmente rígido.

Para ondas incidentes com amplitudes fracas, apenas cerca de 8,5% da energia se espalhou de volta ao infinito, com o restante sendo absorvido pelo buraco negro. Mesmo para ondas com amplitudes fortes, apenas cerca de 20% da energia escapou.

Para entender quanta energia flui para dentro e para fora durante o processo de espalhamento, os pesquisadores calcularam duas quantidades: energia de Bondi e notícias de Bondi em ambos os infinitos.

"A notícia de Bondi é simplesmente uma quantidade que 'traz notícias' de que há radiação gravitacional. Ou seja, se for diferente de zero, há radiação gravitacional, e zero caso contrário", explicou Thwala.

Por outro lado, a energia de Bondi é a energia total em um cone de luz a partir de qualquer ponto do espaço-tempo. É uma das poucas maneiras rigorosas de definir energia na relatividade geral.

Essas medições permitiram que os pesquisadores verificassem a conservação de energia com precisão notável em todas as suas simulações, fornecendo validação crucial de seus métodos numéricos.

Eles também observaram efeitos não lineares fascinantes. Apesar de injetar padrões de onda simples, a dinâmica complexa do espaço-tempo curvo gerou modos de onda adicionais por meio de reação reversa. Isso ocorre essencialmente quando as ondas criam novas ondas à medida que se propagam.

O mais intrigante é que, quando a radiação emitida atingiu o infinito nulo futuro, ela exibiu oscilações características conhecidas como vibração quase normal, que é a frequência de vibração natural do buraco negro.

Os pesquisadores descobriram que essa frequência permaneceu inalterada independentemente das propriedades da onda incidente, sugerindo que ela depende apenas do próprio buraco negro.

O Dr. Stevens enfatizou a importância do trabalho deles, dizendo: "Ter dados em ambos os infinitos permite fazer afirmações rigorosas sobre o que está entrando e o que está saindo pela primeira vez.

Isso tem particular importância na astronomia moderna, onde experimentos como o LIGO detectam ondas gravitacionais emergindo de buracos negros ou estrelas de nêutrons.

Apesar de parecer promissor, os pesquisadores identificam um desafio que ainda precisa ser enfrentado.

"O principal problema com o método atual é que a onda inicial não é definida diretamente no infinito nulo passado", disse o Prof. Frauendiener. "Ser capaz de definir a onda de entrada diretamente e, em seguida, evoluí-la para o infinito nulo futuro seria o ideal."

Por enquanto, os pesquisadores planejam se concentrar em descobrir propriedades globais do problema de espalhamento em vez de estender seu método para cenários mais complexos.