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Um estrondo nos detectores de LIGO - Virgem sinaliza a fonte de ondas gravitacionais mais massiva até agora
Produzidas por fenômenos astrofísicos extremos, essas reverberações ondulam e sacodem o tecido do espaço-tempo, como o toque de um sino cósmico.
Por Whitney Clavin - 02/09/2020


O conceito deste artista ilustra um esquema hierárquico para fundir buracos negros. LIGO e Virgo observaram recentemente uma fusão de buraco negro com uma massa final de 142 vezes a do sol, tornando-o o maior de seu tipo observado em ondas gravitacionais até hoje. Pensa-se que o evento ocorreu quando dois buracos negros de cerca de 66 e 85 massas solares espiralaram um no outro e coalesceram. Os modelos teóricos indicam que a natureza provavelmente não formará buracos negros desse tamanho; em particular, os modelos identificam uma faixa de massas entre 65 e 130 massas solares, chamada de gap de massa de instabilidade de par, na qual se pensa que buracos negros não podem ser formados por uma estrela em colapso. Então, como os dois buracos negros em fusão observados por LIGO e Virgo se originaram? Os cientistas pensam que esses buracos negros podem ter se formado a partir das fusões anteriores de dois buracos negros menores, conforme indicado na ilustração - Crédito: LIGO / Caltech / MIT / R. Ferida (IPAC)

Apesar de todo o seu vasto vazio, o universo zumbe com atividade na forma de ondas gravitacionais. Produzidas por fenômenos astrofísicos extremos, essas reverberações ondulam e sacodem o tecido do espaço-tempo, como o toque de um sino cósmico.

Agora, os pesquisadores detectaram um sinal do que pode ser a fusão de buracos negros mais massiva já observada em ondas gravitacionais. O produto da fusão representa a primeira detecção clara de um buraco negro de "massa intermediária", com uma massa entre 100 e 1.000 vezes a do sol.

O sinal, que foi rotulado como GW190521, foi detectado em 21 de maio de 2019, com o Observatório de Ondas Gravitacionais de Interferômetro a Laser da National Science Foundation (NSF) (LIGO), um par de interferômetros idênticos de 4 quilômetros nos Estados Unidos, e Virgo, um detector de 3 quilômetros de comprimento na Itália.

O sinal se assemelha a cerca de quatro meneios curtos e é extremamente breve em duração, durando menos de um décimo de segundo. Pelo que os pesquisadores podem dizer, GW190521 foi gerado por uma fonte localizada a cerca de 5 gigaparsecs de distância e, portanto, ocorreu quando o universo tinha cerca de metade de sua idade, tornando-se uma das fontes de ondas gravitacionais mais distantes detectadas até agora.

O que produziu esse sinal? Com base em um conjunto poderoso de ferramentas computacionais e de modelagem de última geração, os cientistas acreditam que o GW190521 foi provavelmente gerado por uma fusão de buraco negro binário com propriedades incomuns.

Quase todos os sinais de ondas gravitacionais confirmados até agora foram provenientes da fusão de um par binário de objetos - dois buracos negros ou duas estrelas de nêutrons. Esta fusão mais recente parece ser a mais massiva até agora e envolveu um par de buracos negros com 85 e 66 vezes a massa do Sol que espiralaram em direção um ao outro e se fundiram.

A equipe LIGO-Virgo também mediu o giro de cada buraco negro e descobriu que, conforme os buracos negros circulavam cada vez mais próximos, eles poderiam estar girando em torno de seus próprios eixos em ângulos que estavam fora de alinhamento com o eixo de sua órbita. Os giros desalinhados dos buracos negros provavelmente causaram a oscilação de suas órbitas, ou "precessão", enquanto os dois Golias espiralavam um em direção ao outro.

O novo sinal provavelmente representa o instante em que os dois buracos negros se fundiram. A fusão criou um buraco negro ainda mais massivo, com cerca de 142 massas solares, e liberou uma enorme quantidade de energia, equivalente a cerca de oito massas solares, que se espalhou pelo universo na forma de ondas gravitacionais.

"Isso não se parece muito com um 'chilreio', que é o que normalmente detectamos", diz Nelson Christensen, membro do Virgo, pesquisador do Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica (CNRS). Em comparação com o sinal da primeira detecção de ondas gravitacionais do LIGO em 2015 , ele diz: "isso é mais como algo que faz 'bang' e é o sinal mais massivo que o LIGO e o Virgem já viram."

A equipe internacional de cientistas, que compõe o LIGO Scientific Collaboration (LSC) e a Virgo Collaboration, relatou suas descobertas em dois artigos publicados hoje. Um, que aparece na Physical Review Letters , detalha a descoberta, e o outro, no The Astrophysical Journal Letters, discute as propriedades físicas do sinal e as implicações astrofísicas.

“O LIGO mais uma vez nos surpreende não apenas com a detecção de buracos negros em tamanhos difíceis de explicar, mas também com técnicas que não foram projetadas especificamente para fusões estelares”, diz Pedro Marronetti, diretor do programa de física gravitacional da NSF. "Isso é de extrema importância, pois mostra a capacidade do instrumento de detectar sinais de eventos astrofísicos completamente imprevistos. O LIGO mostra que também pode observar o inesperado."

Na lacuna de massa

As massas excepcionalmente grandes dos dois buracos negros em colisão, bem como o buraco negro final, levantaram uma série de questões sobre sua formação.

Todos os buracos negros observados até o momento se enquadram em uma de duas categorias: buracos negros de massa estelar, que medem desde algumas massas solares até dezenas de massas solares e se pensa que se formam quando estrelas massivas morrem, ou buracos negros supermassivos, tais como aquela no centro da galáxia da Via Láctea, que varia de centenas de milhares a bilhões de vezes a massa do nosso sol.

No entanto, o buraco negro final de 142 massas solares produzido pela fusão GW190521 está dentro de uma faixa de massa intermediária entre buracos negros de massa estelar e supermassivos, e é o primeiro de seu tipo já detectado.

Os dois buracos negros progenitores que produziram o buraco negro final também parecem ser únicos em relação ao seu tamanho. Eles são tão massivos que os cientistas suspeitam que um ou ambos podem não ter se formado a partir de uma estrela em colapso, como acontece com a maioria dos buracos negros de massa estelar.

De acordo com a física da evolução estelar, a pressão externa dos fótons e do gás no núcleo de uma estrela a apoia contra a força da gravidade que a empurra para dentro, de modo que a estrela fica estável, como o sol. Depois que o núcleo de uma estrela massiva funde núcleos atômicos que são tão pesados ​​quanto o ferro, ele não pode mais produzir pressão suficiente para suportar as camadas externas da estrela. Quando essa pressão externa é menor do que a gravidade, a estrela colapsa sob seu próprio peso, provocando uma explosão chamada supernova de colapso do núcleo, que pode deixar para trás um buraco negro.

Esse processo pode explicar como estrelas com a massa de 130 massas solares podem produzir buracos negros com até 65 massas solares. Mas para estrelas mais pesadas, acredita-se que um fenômeno conhecido como instabilidade de par comece. Quando os fótons do núcleo se tornam extremamente energéticos, eles podem se transformar em um par de elétrons e antielétrons. Esses pares geram menos pressão do que os fótons, fazendo com que a estrela se torne instável contra o colapso gravitacional. A explosão resultante é tão poderosa que nada é deixado para trás. Estrelas ainda mais massivas, aquelas acima de 200 massas solares, acabariam colapsando diretamente em um buraco negro de pelo menos 120 massas solares. Uma estrela em colapso, então, não deve ser capaz de produzir um buraco negro entre aproximadamente 65 e 120 massas solares, um intervalo conhecido como gap de massa de instabilidade de par.

Mas na detecção atual, o mais pesado dos dois buracos negros que produziram o sinal GW190521, em 85 massas solares, é o primeiro a ser detectado que se enquadra na lacuna de massa de instabilidade do par.

"O fato de estarmos vendo um buraco negro nesta lacuna de massa fará muitos astrofísicos coçarem a cabeça e tentar descobrir como esses buracos negros foram feitos", disse Christensen, que é o diretor do Laboratório Artemis no Observatório de Nice na França.

Uma possibilidade, que os pesquisadores consideram em seu segundo artigo, é uma fusão hierárquica, na qual os dois buracos negros progenitores, cada um deles, se formaram pela fusão de dois buracos negros ainda menores; este par de buracos negros recém-formados então migrou junto e eventualmente também se fundiu.

"Este evento abre mais perguntas do que fornece respostas", diz o membro do LIGO Alan Weinstein , professor de física da Caltech. "Do ponto de vista da física descoberta, é uma coisa muito emocionante."

"Algo inesperado"

Existem muitas perguntas restantes sobre GW190521.

Enquanto os detectores LIGO e Virgo escutam as ondas gravitacionais passando pela Terra, buscas automatizadas vasculham os dados de entrada em busca de sinais interessantes. Essas pesquisas podem usar dois métodos diferentes: algoritmos que selecionam padrões de onda específicos nos dados que podem ter sido produzidos por sistemas binários compactos e pesquisas de "explosão" mais gerais, que essencialmente procuram por qualquer coisa fora do comum.

Salvatore Vitale, membro do LIGO, professor assistente de física no MIT, compara buscas binárias compactas a "passar um pente pelos dados, que pegará coisas em um certo espaçamento", em contraste com buscas em rajada que são mais de uma abordagem abrangente.

No caso de GW190521, uma busca em rajada captou o sinal um pouco mais claramente, abrindo a chance muito pequena de que as ondas gravitacionais surgissem de algo diferente de uma fusão binária.

"A barreira para afirmar que descobrimos algo novo é muito alta", diz Weinstein. "Normalmente aplicamos a navalha de Occam: a solução mais simples é a melhor, que neste caso é um buraco negro binário."

Mas e se algo inteiramente novo produzisse essas ondas gravitacionais? É uma perspectiva tentadora e, em seu artigo, os cientistas consideram brevemente outras fontes no universo que podem ter produzido o sinal que detectaram. Por exemplo, as ondas gravitacionais podem ter sido emitidas por uma estrela em colapso em nossa galáxia. O sinal também pode surgir de uma corda cósmica produzida logo após o universo inflar em seus primeiros momentos. Mas nenhuma dessas possibilidades exóticas corresponde aos dados tão bem quanto uma fusão binária.

"Desde que ligamos o LIGO pela primeira vez, tudo o que observamos com confiança foi uma colisão de buracos negros ou estrelas de nêutrons", disse Weinstein. "Este é o único evento em que nossa análise permite a possibilidade de que este evento não seja tal colisão. Embora este evento seja consistente com ser de uma fusão de buraco negro binário excepcionalmente massivo e explicações alternativas sejam desfavorecidas, ele está ultrapassando os limites de nosso confiança. E isso potencialmente o torna extremamente emocionante, porque todos nós esperamos por algo novo, algo inesperado, que possa desafiar o que já aprendemos. Este evento tem potencial para fazer isso. "

Esta pesquisa foi financiada pela NSF.

O LIGO é financiado pela NSF e operado pela Caltech e MIT, que concebeu o LIGO e liderou o projeto. O apoio financeiro para o projeto Advanced LIGO foi liderado pela NSF com a Alemanha (Max Planck Society), o Reino Unido (Conselho de Instalações de Ciência e Tecnologia) e a Austrália (Australian Research Council-OzGrav) assumindo compromissos e contribuições significativas para o projeto. Aproximadamente 1.300 cientistas de todo o mundo participam do esforço por meio da Colaboração Científica LIGO, que inclui a Colaboração GEO. Uma lista de parceiros adicionais está disponível em https://my.ligo.org/census.php .

A Colaboração de Virgo é atualmente composta por aproximadamente 520 membros de 99 institutos em 11 países diferentes, incluindo Bélgica, França, Alemanha, Hungria, Itália, Holanda, Polônia e Espanha. O Observatório Gravitacional Europeu (EGO) hospeda o detector de Virgem perto de Pisa, na Itália, e é financiado pelo Centre national de la recherche scientifique (CNRS) na França, o Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) na Itália e Nikhef na Holanda. Uma lista dos grupos de Colaboração de Virgo pode ser encontrada em http://public.virgo-gw.eu/the-virgo-collaboration/ . Mais informações estão disponíveis no site da Virgo em http://www.virgo-gw.eu .

 

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