Em fevereiro de 2016, os cientistas que trabalhavam no Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro a Laser (LIGO) fizeram história quando anunciaram a primeira detecção de ondas gravitacionais. Essa descoberta não apenas confirmou uma previsão de um século feita pela Teoria da Relatividade Geral de Einstein, mas também confirmou a existência de buracos negros binários estelares - que se fundiram para produzir o sinal em primeiro lugar.
E agora, uma equipe internacional liderada pelo astrofísico do MIT Carl Rodriguez produziu um estudo que sugere que os buracos negros podem se fundir várias vezes. De acordo com seu estudo, essas "fusões de segunda geração" provavelmente ocorrem em aglomerados globulares, os aglomerados estelares grandes e compactos que normalmente orbitam nas bordas das galáxias - e que estão densamente compactados com centenas de milhares a milhões de estrelas.
O estudo, intitulado "Dinâmica pós-newtoniana em aglomerados de estrelas densas: fusões binárias altamente excêntricas, altamente giratórias e repetidas de buracos negros binários", apareceu recentemente no Cartas de Revisão Física. O estudo foi liderado por Carl Rodriguez, um colega de Pappalardo no Departamento de Física do MIT e no Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial, e incluiu membros do Instituto de Ciências Espaciais e do Centro de Exploração e Pesquisa Interdisciplinar em Astrofísica (CIERA).
Como Carl Rodriguez explicou em um recente comunicado de imprensa do MIT:
“Acreditamos que esses aglomerados se formaram com centenas a milhares de buracos negros que rapidamente afundaram no centro. Esses tipos de aglomerados são essencialmente fábricas para binários de buracos negros, onde você tem tantos buracos negros em uma pequena região do espaço que dois buracos negros podem se fundir e produzir um buraco negro mais maciço. Então esse novo buraco negro pode encontrar outro companheiro e se fundir novamente.
Os aglomerados globulares têm sido uma fonte de fascínio desde que os astrônomos os observaram pela primeira vez no século XVII. Essas coleções esféricas de estrelas estão entre as estrelas mais antigas conhecidas no Universo e podem ser encontradas na maioria das galáxias. Dependendo do tamanho e tipo de galáxia que orbitam, o número de aglomerados varia, com galáxias elípticas hospedando dezenas de milhares, enquanto galáxias como a Via Láctea têm mais de 150.
Durante anos, Rodriguez investiga o comportamento de buracos negros em aglomerados globulares para ver se eles interagem com suas estrelas de maneira diferente dos buracos negros que ocupam regiões menos densamente povoadas no espaço. Para testar essa hipótese, Rodriguez e seus colegas usaram o supercomputador Quest da Northwestern University para realizar simulações em 24 clusters estelares.
Esses aglomerados variavam em tamanho de 200.000 a 2 milhões de estrelas e cobriam uma variedade de densidades e composições metálicas diferentes. As simulações modelaram a evolução de estrelas individuais dentro desses aglomerados ao longo de 12 bilhões de anos. Esse período de tempo foi suficiente para acompanhar essas estrelas enquanto elas interagiam umas com as outras e, eventualmente, formaram buracos negros.
As simulações também modelaram a evolução e as trajetórias dos buracos negros depois que eles se formaram. Como Rodriguez explicou:
“O mais interessante é que, como os buracos negros são os objetos mais maciços desses aglomerados, eles afundam no centro, onde você obtém uma densidade suficientemente alta de buracos negros para formar binários. Buracos negros binários são basicamente como alvos gigantes pendurados no aglomerado, e quando você joga outros buracos negros ou estrelas neles, eles passam por esses encontros caóticos loucos. ”
Enquanto as simulações anteriores eram baseadas na física de Newton, a equipe decidiu adicionar os efeitos relativísticos de Einstein em suas simulações de aglomerados globulares. Isso se deve ao fato de que as ondas gravitacionais não foram previstas pelas teorias de Newton, mas pela Teoria da Relatividade Geral de Einstein. Como Rodriguez indicou, isso permitiu que eles vissem como as ondas gravitacionais desempenhavam um papel:
“O que as pessoas haviam feito no passado era tratar isso como um problema puramente newtoniano. A teoria da gravidade de Newton funciona em 99,9% de todos os casos. Os poucos casos em que isso não funciona podem ser quando você tem dois buracos negros zunindo muito próximos, o que normalmente não acontece na maioria das galáxias ... Na teoria da relatividade geral de Einstein, onde eu posso emitir ondas gravitacionais, então quando um buraco negro passa perto de outro, ele pode realmente emitir um pequeno pulso de ondas gravitacionais. Isso pode subtrair energia suficiente do sistema para que os dois buracos negros realmente fiquem presos e depois se fundam rapidamente. ”
O que eles observaram foi que, dentro dos aglomerados estelares, os buracos negros se fundem para criar novos buracos negros. Em simulações anteriores, a gravidade newtoniana previu que a maioria dos buracos negros binários seria expulsa do aglomerado antes que eles pudessem se fundir. Mas, levando em consideração os efeitos relativísticos, Rodriguez e sua equipe descobriram que quase metade dos buracos negros binários se fundiam para formar outros mais massivos.
Como Rodriguez explicou, a diferença entre os que foram mesclados e os que foram expulsos diminuiu:
“Se os dois buracos negros estiverem girando quando se fundem, o buraco negro que eles criam emitirá ondas gravitacionais em uma única direção preferida, como um foguete, criando um novo buraco negro que pode disparar tão rápido quanto 5.000 quilômetros por segundo - então, incrivelmente rápido. Leva apenas um chute de talvez algumas dezenas a cem quilômetros por segundo para escapar de um desses aglomerados. ”
Isso levantou outro fato interessante sobre as simulações anteriores, em que os astrônomos acreditavam que o produto de qualquer fusão de buracos negros seria expulso do aglomerado, pois se supõe que a maioria dos buracos negros esteja girando rapidamente. No entanto, as medições das ondas gravitacionais obtidas recentemente no LIGO parecem contradizer isso, que detectou apenas as fusões de buracos negros binários com giros baixos.
Essa suposição, no entanto, parece contradizer as medições do LIGO, que até agora apenas detectou buracos negros binários com giros baixos. Para testar as implicações disso, Rodriguez e seus colegas reduziram as taxas de rotação dos buracos negros em suas simulações. O que eles descobriram foi que quase 20% dos buracos negros binários dos aglomerados tinham pelo menos um buraco negro que variava entre 50 e 130 massas solares.
Essencialmente, isso indicava que eram buracos negros de "segunda geração", pois os cientistas acreditam que essa massa não pode ser alcançada por um buraco negro formado a partir de uma única estrela. Olhando para o futuro, Rodriguez e sua equipe prevêem que, se o LIGO detectar um objeto com uma massa dentro desse intervalo, provavelmente será o resultado de buracos negros se fundindo em um denso aglomerado estelar, em vez de uma única estrela.
“Se esperarmos o suficiente, o LIGO verá algo que só poderia ter provocado desses aglomerados de estrelas, porque seria maior do que qualquer coisa que você pudesse obter de uma única estrela”, diz Rodriguez. “Meus co-autores e eu apostamos contra algumas pessoas que estudam a formação binária de estrelas que, nas primeiras 100 detecções do LIGO, o LIGO detectará algo dentro dessa lacuna de massa superior. Eu ganho uma boa garrafa de vinho, se isso for verdade.
A detecção de ondas gravitacionais foi uma conquista histórica e permitiu aos astrônomos realizar pesquisas novas e empolgantes. Os cientistas já estão obtendo novas idéias sobre os buracos negros estudando o subproduto de suas fusões. Nos próximos anos, podemos esperar muito mais, graças à melhoria dos métodos e ao aumento da cooperação entre os observatórios.
