Cientistas ouvem o ‘barulho’ de um buraco negro recém-nascido pela primeira vez, e resultados apoiam a teoria de Einstein e a ideia de que os buracos negros não têm “cabelo”.

Se a teoria da relatividade geral de Albert Einstein é verdadeira, então um buraco negro, nascido das colisões abaladoras de dois buracos negros massivos, deveria por si só “tocar” no rescaldo, produzindo ondas gravitacionais muito parecidas com um sino que reverbera as ondas sonoras. Einstein previu que o tom e decomposição particulares destas ondas gravitacionais deveriam ser uma assinatura direta da massa e rotação do buraco negro recém-formado.

Agora, físicos do MIT e de outros lugares estudaram o ‘barulho’ de um buraco negro infantil, e descobriram que o padrão desse barulho, de fato, prediz a massa e rotação do buraco negro – mais evidência de que Einstein estava certo o tempo todo.

Os resultados, publicados na Physical Review Letters, também favorecem a ideia de que os buracos negros carecem de qualquer tipo de “cabelo” – uma metáfora referente à ideia de que os buracos negros, de acordo com a teoria de Einstein, deveriam exibir apenas três propriedades observáveis: massa, rotação e carga elétrica. Todas as outras características, que o físico John Wheeler chamou de “cabelo”, deveriam ser engolidas pelo próprio buraco negro e, portanto, não seriam observáveis.

As descobertas da equipe hoje apoiam a ideia de que os buracos negros são, na verdade, sem cabelos. Os pesquisadores foram capazes de identificar o padrão de barulho de um buraco negro, e, usando as equações de Einstein, calcularam a massa e a rotação que o buraco negro deveria ter, dado seu padrão de barulho. Estes cálculos coincidiam com as medidas da massa e rotação do buraco negro feitas anteriormente por outros.

Se os cálculos da equipe se desviaram significativamente das medições, teria sugerido que o barulho do buraco negro codifica propriedades diferentes de massa, rotação e carga elétrica – tantalizando evidências de física além do que a teoria de Einstein pode explicar. Mas, ao que parece, o padrão de barulho do buraco negro é uma assinatura direta de sua massa e rotação, dando suporte à noção de que os buracos negros são gigantes carecas, sem quaisquer propriedades estranhas e semelhantes aos cabelos.

“Todos nós esperamos que a relatividade geral seja correta, mas esta é a primeira vez que a confirmamos desta forma”, diz o autor principal do estudo, Maximiliano Isi, um bolsista da NASA Einstein no Instituto Kavli do MIT para Astrofísica e Pesquisa Espacial.

“Esta é a primeira medição experimental que consegue testar diretamente o teorema de ausência de cabelos. Isso não significa que buracos negros não poderiam ter cabelo. Significa que a imagem de buracos negros sem cabelo vive por mais um dia”.

Um gorjeio, descodificado

Em 14 de setembro de 2015, os cientistas fizeram a primeira detecção de ondas gravitacionais – ondas infinitesimais no espaço-tempo, emanando de fenômenos cósmicos distantes e violentos. A detecção, denominada GW150914, foi feita pelo LIGO, o Observatório de Ondas Gravitacionais do Interferômetro a Laser. Uma vez que os cientistas limparam o ruído e ampliaram o sinal, eles observaram uma forma de onda que cresceu rapidamente antes de desaparecer. Quando eles traduziram o sinal em som, eles ouviram algo parecido com um “gorjeio”.

Os cientistas determinaram que as ondas gravitacionais foram desencadeadas pela rápida rotação entre dois buracos negros massivos. O pico do sinal – a parte mais alta do gorjeio – ligado ao momento em que os buracos negros colidiram, fundindo-se em um único e novo buraco negro. Enquanto esse buraco negro infantil emitia suas próprias ondas gravitacionais, seu toque de assinatura, assumido pelos físicos, seria muito fraco para decifrar em meio ao clamor da colisão inicial. Assim, os vestígios deste zumbido só foram identificados algum tempo depois do pico, onde o sinal era demasiado fraco para ser estudado em detalhe.

Isi e seus colegas, no entanto, encontraram uma maneira de extrair a reverberação do buraco negro dos momentos imediatamente após o pico do sinal. Em trabalhos anteriores liderados pelo co-autor de Isi, Matthew Giesler da Caltech, a equipe mostrou através de simulações que tal sinal, e particularmente a parte logo após o pico, contém “overtones” – uma família de tons altos e de curta duração. Quando eles reanalisaram o sinal, levando em conta os tons, os pesquisadores descobriram que poderiam isolar com sucesso um padrão de toque que era específico de um buraco negro recém-formado.

No novo trabalho da equipe, os pesquisadores aplicaram essa técnica aos dados reais da detecção GW150914, concentrando-se nos últimos milissegundos do sinal, imediatamente após o pico do gorjeio. Levando em conta os tons do sinal, eles foram capazes de discernir um zumbido vindo do novo buraco negro infantil. Especificamente, eles identificaram dois tons distintos, cada um com uma taxa de inclinação e decaimento que eles foram capazes de medir.

“Detectamos um sinal de onda gravitacional geral que é composto de múltiplas frequências, que desaparecem em diferentes velocidades, como os diferentes tons que compõem um som”, diz Isi. “Cada frequência ou tom corresponde a uma frequência vibracional do novo buraco negro.

Ouvindo além de Einstein

A teoria da relatividade geral de Einstein prevê que o passo e o decaimento das ondas gravitacionais de um buraco negro devem ser um produto direto da sua massa e rotação. Ou seja, um buraco negro de uma dada massa e rotação só pode produzir tons de um determinado passo e decadência. Como teste à teoria de Einstein, a equipe utilizou as equações da relatividade geral para calcular a massa e rotação do buraco negro recentemente formado, dado o tom e a decadência dos dois tons que detectaram.

Encontraram os seus cálculos combinados com as medidas da massa do buraco negro e rotação previamente feitos por outros. Isi diz que os resultados demonstram que os pesquisadores podem, de fato, usar as partes mais altas e detectáveis de um sinal de onda gravitacional para discernir o zumbido de um novo buraco negro, onde antes, os cientistas assumiam que esse zumbido só poderia ser detectado dentro da extremidade muito mais fraca do sinal de onda gravitacional, e identificar muitos tons exigiria instrumentos muito mais sensíveis do que o que existe atualmente.

“Isso é emocionante para a comunidade, porque mostra que esses tipos de estudos são possíveis agora, não em 20 anos”, diz Isi.

À medida que o LIGO melhora a sua resolução, e os instrumentos mais sensíveis entram em linha no futuro, os investigadores serão capazes de usar os métodos do grupo para “ouvir” o barulho de outros buracos negros recém-nascidos. E se eles pegarem tons que não coincidam com as previsões de Einstein, isso pode ser uma perspectiva ainda mais excitante.

“No futuro, teremos melhores detectores na Terra e no espaço, e seremos capazes de ver não apenas dois, mas dezenas de modos, e fixar suas propriedades precisamente”, diz Isi. “Se estes não são buracos negros como prevê Einstein, se são objetos mais exóticos como buracos de minhocas ou estrelas de bóson, eles podem não tocar da mesma maneira, e teremos a chance de vê-los”.

RELEASE / Instituto de Tecnologia de Massachusetts via Phys / DOI: 10.1103/physrevlett.123.121101