As fusaµes de buracos negros binários são eventos cosmola³gicos fascinantes, que foram teorizados como uma das fontes mais fortes de ondas gravitacionais no universo. Embora os astrofisicos tenham realizado pesquisas extensas com foco nesses eventos, muitas perguntas permanecem sem resposta.

Pesquisadores do Instituto Max Planck de Fa­sica Gravitacional na Alemanha e da Universidade Memorial de Newfoundland e Labrador, no Canada¡, realizaram recentemente um estudo explorando o que acontece com os horizontes aparentes originais durante uma fusão entre dois buracos negros não girata³rios. Seu artigo, publicado na Physical Review Letters , sugere que quando os buracos negros binários se fundem, os horizontes aparentes desaparecem ao se fundir com outras estruturas semelhantes ao horizonte .

Os horizontes aparentes são limites delineando a borda de um buraco negro. Em seus trabalhos anteriores, dois dos pesquisadores envolvidos no estudo recente vinham tentando desenvolver novas maneiras de identificar horizontes aparentes em Espaços-tempos simples o suficiente para que suas manãtricas pudessem ser anotadas no papel. Usando os manãtodos que desenvolveram, eles foram capazes de identificar várias novassuperfÍcies semelhantes a horizontes que haviam sido negligenciadas por trabalhos anteriores.

"Parte da inspiração original para esse estudo foi a compreensão de horizontes aparentes de auto-interseção que foram recentemente identificados durante as fusaµes de buracos negros por Daniel e seus colaboradores ", Daniel Pook-Kolb, Robie A. Hennigar e Ivan Booth, os pesquisadores que realizaram o estudo, disse Phys.org, via e-mail. "Então, Ivan foi convidado para ser um examinador da tese de doutorado de Daniel e, enquanto escrevia seu relatório, percebeu que os manãtodos simples também poderiam ser aplicados em Espaços-tempos de fusão gerados numericamente muito mais complicados de Daniel. Depois que a tese foi publicada, noscomeçou a colaborar. "

Inicialmente, Pook-Kolb analisou dados das simulações numanãricas completas que ele produziu como parte de sua tese. Quase imediatamente, ele identificou uma sanãrie de novas estruturas que combinavam com as previsaµes tea³ricas da equipe.

Um dos principais objetivos do novo estudo era obter uma melhor compreensão de como dois buracos negros podem se fundir e se tornar um. Conforme os pesquisadores continuaram suas análises, eles ficaram mais confiantes de que seriam capazes de responder a essa pergunta sem resposta.

"Por muitos anos, sabe-se como fica o horizonte de eventos durante uma fusão; esse éo famoso diagrama do par de cala§as, mas isso não nos diz muito sobre a dina¢mica, especialmente como o Espaço-tempo evolui dentro dos buracos negros", Pook- Kolb, Hennigar e Booth explicaram. "Para obter mais informações, olhamos para horizontes aparentes, que são onipresentes na comunidade da relatividade numanãrica."

Aproximadamente 50 anos atrás, Stephen Hawking e George Ellis especularam brevemente sobre o que acontece com os horizontes aparentes dos buracos negros binários quando eles se fundem, em seu livro "The Large Scale Structure of Space-Time". Desde então, no entanto, os pesquisadores não foram capazes de trazr um quadro completo e consistente desse fena´meno.

"Por muito tempo, esta tem sido uma questãobastante acadaªmica, já que os buracos negros eram objetos elusivos que nunca haviam sido diretamente observados individualmente, muito menos testemunhar a fusão de dois deles", disseram Pook-Kolb, Hennigar e Booth. "Isso mudou drasticamente desde que as primeiras assinaturas de ondas gravitacionais de fusaµes foram detectadas em 2015. As observações de fusaµes agora são quase rotineiras. Portanto, achamos que obter uma compreensão de todos os seus aspectos éinteressante em si mesmo."

Em seu artigo, Pook-Kolb, Hennigar e Booth examinaram especificamente as configurações de buracos negros com uma certa simetria, onde todo o sistema permanece inalterado após as rotações ocorrerem em torno de um eixo. O manãtodo que eles usaram para realizar sua análise tem três componentes principais.

Em primeiro lugar, os pesquisadores empregaram uma técnica altamente precisa para simular Espaços-tempos, incluindo Espaços-tempos dentro de um buraco negro. Em segundo lugar, eles usaram um manãtodo numanãrico que lhes permitiu resolver os horizontes, mesmo nos casos em que se tornaram muito distorcidos.

"O terceiro 'ingrediente' do nosso manãtodo éuma maneira conceitualmente simples de encontrar todos os horizontes possa­veis: as equações para encontrar horizontes aparentes são reescritas de equações complicadas parasuperfÍcies a relativamente simples para curvas", disseram Pook-Kolb, Hennigar e Booth . "Depois de encontrar uma dessas curvas, ela pode ser girada para obter asuperfÍcie total. Então, a busca por horizontes torna-se uma busca unidimensional, que éfa¡cil de resolver com os computadores de hoje. Pelo que sabemos, ninguanãm completamente trabalhei a matemática para isso antes, mas foi o que finalmente nos permitiu descobrir a estrutura no interior do buraco negro recanãm-formado. "

Nas últimas décadas, os astrofisicos foram capazes de trazr um quadro claro do que acontece no Espaço-tempo exterior dos buracos negros durante as fusaµes de buracos negros binários. Além disso, as ondas gravitacionais que estavam associadas a esses eventos agora são detectadas de forma consistente.

O que acontece no Espaço-tempo interior, no entanto, atéagora permaneceu obscuro. O trabalho recente de Pook-Kolb, Hennigar e Booth lana§a alguma luz sobre o que pode acontecer dentro de buracos negros binários quando eles se fundem.

"O resultado mais importante de nosso estudo éque ele revelou o destino dos dois horizontes originais", disseram Pook-Kolb, Hennigar e Booth. "Ambos eventualmente desaparecem, mas não simplesmente desaparecem. Em vez disso, eles aniquilam suavemente com outras estruturas semelhantes a horizontes. Pode-se ir mais longe e dizer 'eles mudam no tempo", e ao fazer isso, eles se tornam o que noschame insta¡vel. "

Uma outra conquista deste estudo recente éque ele introduz um manãtodo para diferenciar facilmente entresuperfÍcies marginais genanãricas, também conhecidas como MOTSs, e MOTSs que podem ser considerados como limites de buracos negros fisicamente significativos (ou seja, horizontes). No futuro, esse manãtodo também podera¡ ser usado por outras equipes de pesquisa para estudar horizontes em buracos negros.

"Ao calcular as propriedades de estabilidade de um MOTS, podemos dizer imediatamente se ele pertence a um horizonte de comportamento fa­sico ou se éapenas umasuperfÍcie marginal insta¡vel", explicaram Pook-Kolb, Hennigar e Booth. "Este critanãrio estabelece algo muito importante para nós: apesar do grande número desuperfÍcies marginais que encontramos, encontramos uma estrutura muito clara e simples quando inclua­mos as propriedades de estabilidade."

Em seu estudo recente, Pook-Kolb, Hennigar e Booth relatam novos e valiosos insights sobre o que pode acontecer aos horizontes aparentes quando dois buracos negros se fundem em um. Atéagora, suas análises consideraram buracos negros binários não girata³rios, mas eles planejam conduzir estudos adicionais enfocando buracos negros girata³rios.

"Obviamente, ainda hámuitas questões a serem respondidas", disseram Pook-Kolb, Hennigar e Booth. "Provavelmente, o mais importante seráestender nosso estudo a fusaµes totalmente genanãricas de buracos negros em rotação . Embora pensemos que estruturas muito semelhantes deveriam existir, temos sido surpreendidos com frequência o suficiente para permanecer extremamente curiosos."