Apenas alguns meses após a sua descoberta, as ondas gravitacionais provenientes das fusões de buracos negros estão sacudindo a astrofísica.
Em um discurso no mês passado em Santa Barbara, Califórnia, abordando alguns dos astrofísicos mais importantes do mundo, Selma de Mink foi direto ao assunto. “Como é que eles se formam?”, começou ela.
“Eles”, como todos sabiam, foram dois buracos negros maciços que, a mais de 1 bilhão de anos atrás, em um canto remoto do cosmos, mesclando-se juntos em uma espiral, criaram ondas no tecido do espaço e do tempo. Foram estas “ondas gravitacionais” que, em 14 de setembro de 2015, passaram pela Terra, dedilhando os detectores ultra-sensíveis da Gravitational-Wave Observatory Laser Interferometer (LIGO). A descoberta de LIGO, anunciada em fevereiro, triunfalmente confirmando a previsão de Albert Einstein sobre a existência das ondas gravitacionais em de 1916. Ao ajustar-se para esses pequenos tremores no espaço-tempo e revelando pela primeira vez a atividade invisível de buracos negros – objetos tão denso que nem mesmo a luz pode escapar de sua atração gravitacional – a LIGO prometeu abrir uma nova janela sobre o universo, algo semelhante, alguns disseram, quando Galileo apontou pela primeira vez um telescópio para o céu.
Agora, os novos dados de ondas gravitacionais abalaram o campo da astrofísica. Em resposta, três dezenas de especialistas passaram duas semanas em agosto na triagem dos dados no Instituto Kavli de Física Teórica (KITP) em Santa Barbara.
Pulando para as discussões, de Mink, uma professora assistente de astrofísica da Universidade de Amesterdão, explicou que das duas – e possivelmente mais – fusões de buracos negros que LIGO detectou até agora, o primeiro e mais poderoso evento, chamado de GW150914, apresentou o maior quebra-cabeça. Era esperado que a LIGO identificasse pares de buracos negros pesando na faixa de 10 vezes a massa do Sol, mas eles tinham cerca de 30 massas solares cada. “Lá estão eles – buracos negros maciços, muito mais maciços do que nós pensamos que eles eram”, disse de Mink. “Então, como é que eles se formam?”
Selma de Mink, da Universidade de Amsterdã criou uma nova hipótese afirmando que pares de buracos negros próximos o suficiente para fundir vêm de estrelas massivas cujos conteúdos foram misturados até que se tornem homogêneos.
O mistério, ela explicou, é duplo: Como é que os buracos negros ficam tão enormes, considerando que as estrelas, algumas das quais colapsam para formar buracos negros, geralmente expulsam a maior parte de sua massa antes de morrer, e como eles chegaram tão perto um do outro – próximo o suficiente para fundir dentro do tempo de vida do universo? “Estas são duas coisas que são meio que mutuamente exclusivas”, disse de Mink. Um par de estrelas gigantes que nascem juntas normalmente se misturam e se fundem antes mesmo de colapso em buracos negros, não conseguindo chutar ondas gravitacionais detectáveis.
A resposta da história por trás de GW150914 “está desafiando toda a nossa compreensão”, disse Matteo Cantiello, astrofísico do KITP. Os peritos devem refazer os passos incertos, desde o momento da fusão e retrocedendo até no nascimento, vida e morte de um par de estrelas – uma sequência que envolve muita astrofísica para entender. “Isto realmente vai revitalizar certas questões antigas em nossa compreensão das estrelas”, disse Eliot Quataert , professor de astronomia da Universidade da Califórnia, Berkeley, e um dos organizadores do programa KITP. Compreender os dados da LIGO vai exigir um ajuste de contas para entender quando e por que estrelas se tornam supernovas; quais se transformam nesse tipos de restos estelares; como a composição, massa e rotação das estrelas afetam a sua evolução; como seus campos magnéticos operam; e muito mais.
O trabalho está apenas começando, mas as primeiras detecções da LIGO tem empurrado duas teorias de formação do buraco negro binário para a frente. Ao longo das duas semanas em Santa Barbara, uma rivalidade aquecida entre o novo modelo “quimicamente homogêneo” para a formação de binários de buracos negros, propostos por de Mink e colegas no início deste ano, e o modelo clássico do “envelope comum” defendido por muitos outros especialistas. Ambas as hipótese (e um conjunto de concorrentes) podem ser verdade em algum lugar no cosmos, mas provavelmente apenas uma deles representa a grande maioria das fusões de buracos negros. “Na ciência, disse Daniel Holz , da Universidade de Chicago, um defensor da hipótese do “envelope”, geralmente há apenas um processo dominante -. Para qualquer coisa”
O conjunto des estrela R136 no centro da Nebulosa da Tarântula dá origem a muitas estrelas de grande massa, que poderão ser as progenitoras de binários de buracos negros. NASA, ESA, F. Paresce, R. O’Connell and the Wide Field Camera 3 Science Oversight Committee
Histórias das Estrelas
A história de GW150914 quase certamente começa com estrelas massivas – aquelas que são pelo menos oito vezes tão pesadas quanto o sol e que, apesar de raras, desempenham um papel de protagonistas em galáxias. Estrelas massivas são aquelas que explodem como supernovas, expelindo matéria para o espaço a reciclando-se como novas estrelas; apenas os seus núcleos, em seguida, entram em colapso em buracos negros e estrelas de nêutrons, que criam fenômenos exóticos e influentes, tais como explosões de raios gama, pulsares e binários de raios-X. De Mink e colaboradores mostraram em 2012 que estrelas massivas mais conhecidas vivem em sistemas binários. Estrelas massivas binárias, “dançam” e ” se beijam” sugando combustível de hidrogênio uma da outra “como vampiras”, dependendo das circunstâncias. Mas quais as circunstâncias que levam-las a encolher por trás dos véus de escuridão, e depois colidirem?
A história convencional do envelope-comum, desenvolvida ao longo de décadas começando na década de 1970 com o trabalho dos cientistas soviéticos Aleksandr Tutukov e Lev Yungelson, fala de um par de estrelas de grande massa que são nascidas em uma ampla órbita. Como a primeira estrela fica sem combustível em seu núcleo, suas camadas exteriores sopram seu hidrogênio, formando uma “supergigante vermelha.” Grande parte deste gás hidrogênio é sugado para fora pela segunda estrela, no estilo vampiro, e o núcleo da primeira estrela, eventualmente cai em um buraco negro. A interação chama o par mais próximo, de modo que quando a segunda estrela incha em uma supergigante, ela engole os dois em um envelope-comum. Os companheiros afundam cada vez mais à medida que percorrem o gás hidrogênio. Eventualmente, o envelope é perdido para o espaço, e o núcleo da segunda estrela, como a primeira, colapsa para um buraco negro. Os dois buracos negros, dessa forma, estão perto o suficiente para fundir-se algum dia.
Como as estrelas perderam muita massa, está previsto para este modelo produzir pares de buracos negros mais leves, pesando na faixa de 10 massas solares. O segundo sinal de LIGO, a partir da fusão de buracos negros de oito e 14 massas solares, é um home run para o modelo. Mas alguns especialistas dizem que o primeiro evento, o GW150914, é um exagero.
Em um artigo de junho na Nature, Holz e os colaboradores Krzysztof Belczynski, Tomasz Bulik e Richard O’Shaughnessy argumentaram que envelopes comuns podem, teoricamente, produzirem fusões de buracos negros de 30 massas solares se as estrelas progenitoras pesarem algo como 90 massas solares e quase não contêm metais (que aceleria a perda de massa). Tais sistemas binários pesados tendem a ser relativamente raros no universo, levantando dúvidas sobre se LIGO teria observado tal fusão tão cedo. Em Santa Barbara, os cientistas concordaram que se LIGO detecta muitas fusões muito pesadas em relação as mais leves, isso vai enfraquecer a hipótese do envelope-comum.
O modelo quimicamente homogêneo começa com um par de estrelas massivas que estão girando em torno de si de forma extremamente rápida e tão juntas que elas se bloqueiam com suas forças de marés, como dançarinos de tango. No tango, “você deve estar muito próximo, para que que seus corpos se enfrentem o tempo todo”, disse de Mink, uma dançarina nata. “E isso significa que você está girando em torno de si, mas também o obriga a girar em torno de seu próprio eixo”. Este giro agita as estrelas, tornando-as quentes e homogênea. E esse processo pode permitir que as estrelas se submetam a fusão ao longo de todo o seu interior, em vez de apenas seus núcleos, até que ambas as estrelas usem todo o seu combustível. Como as estrelas não se expandem, eles não se misturam ou agregam-se em massa. Em vez disso, cada uma desmorona em seu próprio peso em um buraco negro maciço. Os buracos negros dançam por alguns bilhões de anos, gradualmente em espiral cada vez mais próximos, até que, em uma fração de segundo no espaço-tempo-flambado, eles se fundem.
De Mink e Mandel apresentaram seu modelo quimicamente homogêneo em um artigo publicado on-line em janeiro. Outro trabalho propondo a mesma ideia, por pesquisadores da Universidade de Bonn, liderados pelo estudante Pablo Marchant, apareceu dias depois. Quando a LIGO anunciou a detecção de GW150914 no mês seguinte, a teoria quimicamente homogênea ganhou proeminência.
No entanto, além de algumas evidências provisórias, a existência de estrelas agitadas é especulativa. E alguns especialistas questionam a eficácia do modelo. As simulações sugerem que o modelo quimicamente homogêneo se esforça para explicar menores binários de buracos negros como os do segundo sinal da LIGO. Pior, a dúvida surgiu como a quão supostamente a hipótese responsável por GW150914, será a princioal história de sucesso. “É um modelo muito elegante”, disse Holz. “É muito convincente. O problema é que ela não parece funcionar plenamente “.
Tudo girando
Junto com as massas dos buracos negros em colisão, os sinais de ondas gravitacionais do LIGO também revelam se os buracos negros estavam girando. Na primeira, os pesquisadores recebem menos atenção para a medição de rotação, em parte porque as ondas gravitacionais registraram somente a centrifugação,o modo com que os buracos negros estão girando em torno do mesmo eixo que orbitam um ao outro ao redor, não dizendo nada sobre rotação em outras direções. No entanto, em um documento de Maio, os pesquisadores do Instituto de Estudos Avançados de Princeton, NJ, e da Universidade Hebraica de Jerusalém argumentaram que o tipo de rotação medida pela LIGO é exatamente a prevista para buracos se formarem através do qual a hipótese quimicamente homogênea prediz. (Dançarinos de tango giram e orbitam-se na mesma direção). E, no entanto, os buracos negros de 30 massas solares em GW150914, caso existam, foram medidos tendo uma rotação muito baixa e aparentemente é um golpe contra o cenário do tango.
“Girar é um problema para a hipótese quimicamente homogênea?” perguntou Sterl Phinney, professor de astrofísica do Instituto de Tecnologia da Califórnia, em Santa Barbara. Depois de algum debate, os cientistas concordaram que a resposta foi sim.
No entanto, poucos dias depois, de Mink, Marchant e Cantiello encontraram uma saída possível para a hipótese. Cantiello, que recentemente fez avanços no estudo de campos magnéticos estelares, percebeu que as estrelas Dançarinas de Tango da hipótese quimicamente homogênea estão, essencialmente, esferas girando com poderosos campos magnéticos, e esses campos magnéticos são susceptíveis de causar uma transmissão das camadas exteriores da estrela para os polos fortes. Da mesma forma que uma patinadora girando desacelera quando ela estende os braços, estes pólos agiriam como freios, reduzindo gradualmente a rotação das estrelas. O trio já trabalhou para ver se suas simulações confirmam esta imagem. Quataert chamou a ideia de “plausível, mas talvez um pouco desonesta.”
No último dia do programa, preparando o palco para um Outono repleto de eventos quando a LIGO voltar a ficar online com maior sensibilidade e mais sinais de ondas gravitacionais rolarem, os cientistas assinaram a “Declaração de Phinney,” uma lista de instruções concretas sobre o que suas várias teorias irão prever. “Apesar de todos os modelos para binários de buracos negros possam ser criados (exceto aqueles inferiores propostos por nossos concorrentes),” o início da declaração, redigida por Phinney, diz: “esperamos que os dados observacionais em breve se tornem decididamente desiguais.”
A medida que os dados se acumulam, uma hipótese oprimida de formação de buracos negros binários ganha força – por exemplo, a noção de que os binários formar através de interações dinâmicas dentro de regiões densas de formação estelar chamadas “aglomerados globulares”. A primeira execução da LIGO sugeriu que fusões de buraco negro são mais comuns do que prevê o modelo de aglomerado globular. Mas talvez o experimento teve sorte da última vez e a taxa de fusão estimada irá cair.
Somando-se a essa mistura, um grupo de cosmólogos recentemente teorizou que GW150914 pode ter chegado a partir da fusão de buracos negros primordiais, que nunca foram estrelas, para começar, mas sim formaram-se logo após o Big Bang a partir do colapso de remendos energéticos de espaço-tempo. Curiosamente, os pesquisadores argumentaram em um artigo recente na revista Physical Review Letters que tais buracos negros primordiais de 30 massas solares poderiam incluir toda a “matéria escura” que permeia o cosmos. Há uma maneira de testar a ideia através dos sinais astrofísicos chamados rajadas de rádio rápidas.
É talvez demasiado cedo para se debruçar sobre uma possibilidade tão atraente; astrofísicos apontam que isso exigiria suspeitosamente uma ótima sorte para os buracos negros do Big Bang se mesclarem para nós os detectarmos, 13,8 bilhões de anos mais tarde. Este é outro exemplo da nova lógica que os investigadores têm de enfrentar no início da astronomia de ondas gravitacionais. “Estamos numa fase muito divertida”, disse de Mink. “Esta é a primeira vez que estamos pensando nesses cenários”.
Traduzido e adaptado de Quanta Magazine