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Buracos negros, colisões cósmicas e ondulação do espaço-tempo

Simulação numérica de dois buracos negros fundidos realizados pelo Instituto Albert Einstein na Alemanha. Crédito: NASA Blueshift Flickr (CC BY-SA 2.0)

Traduzido de Scientific American 

As pessoas geralmente me perguntam: “O que é espaço-tempo? A resposta fácil é que é o “tecido do espaço”. Isso significa pouco, o espaço não é um tecido e não age como um. Mas ele se dobra e se ondula, se estica e vibra.

O que é o espaço-tempo, realmente ? É um sistema de coordenadas, um tipo de grade conceitual. É uma maneira de contabilizar as dimensões do Universo, além de termos o em cima e para baixo, esquerda e direita, para frente e para trás, também temos tempo – o futuro e o passado. A ideia mais revolucionária que Einstein propôs foi que a física só faz sentido quando o espaço e o tempo estão inextricavelmente ligados entre si, onde a maneira pela qual viajamos através de um, muda a maneira pela qual viajamos através da outra. E a gravidade, uma propriedade de qualquer coisa com massa ou energia, muda ambos.

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O exemplo mais extremo disso é um buraco negro. Aproxime-se de um buraco negro e, além de ter seus membros rasgados do corpo pelo campo gravitacional de escalada abrupta, você não notará muita mudança. Mas, em relação a alguém que se mantem a uma distância segura, seu relógio de pulso, frequência cardíaca, processos de pensamento e todos os outros aspectos da sua existência, ficariam paralisados.

Quando você atravessar o horizonte do evento, marcando o ponto de não retorno, você aparecerá no resto do Universo como uma imagem que desaparece lentamente, escurecendo de si mesmo. E se você olhar para o Universo que você deixou para trás, você verá que ele se afunda em um avanço rápido, cobrando o futuro sem você. O resto da sua jornada, na singularidade no centro do abismo, vai ser sua visão sozinha.

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Enquanto o interior de um buraco negro pode ser inacessível para nós, a existência de buracos negros é um fato bem estabelecido. Na maioria das vezes, nós os observamos quando eles puxam a matéria próxima em si, criando redemoinhos de gás incandescentes, conhecidos como discos de acréscimo. Às vezes, nós os vemos indiretamente através das órbitas de estrelas à sua volta. E, em algumas circunstâncias, sua gravidade e o disco de acúmulo giratório podem deformar os campos magnéticos em um emaranhado que criam grandes jatos de partículas que se prolongam a anos-luz dos centros das galáxias.

No ano passado, no entanto, estabeleceu uma nova maneira de ver buracos negros: através de como eles alteram o espaço-tempo em si.

Qualquer corpo gravitante pode ser dito fazer um “dente” no espaço-tempo, uma região onde a grade curva para dentro. Quando os objetos maciços aceleram através do universo, esse dente também se move, e cria um distúrbio no espaço à sua volta. Quando dois buracos negros se orbitam um ao outro, as ondulações que seu movimento cria no espaço podem irradiar pelo universo, esticando e apertando tudo em seu caminho.

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Qualquer corpo gravitante pode fazer um “deformação” no espaço-tempo, uma região onde a grade se curva para dentro. Quando os objetos maciços aceleram através do universo, essa deformação também se move, e cria um distúrbio no espaço à sua volta. Quando dois buracos negros se orbitam um ao outro, as ondulações que seu movimento cria no espaço podem irradiar pelo universo, esticando e apertando tudo em seu caminho.

Essas ondulações são chamadas de ondas gravitacionais e, no ano passado, pela primeira vez, os cientistas tiveram uma máquina sensível o suficiente para detectá-los: o Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, ou LIGO. LIGO mede a distância entre os espelhos cuidadosamente suspensos saltando os lasers para frente e para trás através de tubos de vácuo de quatro quilômetros de comprimento. Quando uma onda gravitacional passa, o laser fica ligeiramente fora de fase. LIGO pode detectar isso quando a mudança de distância é apenas uma milésima da largura de um próton.

A especialidade da LIGO é a colisão de buracos negros. Quando dois buracos negros orbitam muito próximos um do outro, eles começam uma dança fatal, espiralando para dentro até que seus horizontes de eventos toquem, e eles se fundem, tornando-se um. A massa do buraco negro final é igual à soma das massas dos dois menos um pouco: a massa que foi convertida inteiramente em ondas gravitacionais no momento final. A energia desse estouro de radiação gravitacional pode, por esse breve momento, adicionar mais energia do que a luz combinada de todas as estrelas em todo o Universo observável. As ondas podem viajar por bilhões de anos através do cosmos, espalhando-se em todas as direções e ainda ter energia suficiente para deslocar os espelhos da LIGO, permitindo-nos sentir as vibrações da colisão do buraco negro.

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Até agora, a LIGO detectou três eventos em espiral de um buraco negro. No que diz respeito à física básica dos buracos negros e das ondas gravitacionais, todos os eventos são perfeitamente consistentes com as previsões da relatividade geral de Einstein, uma teoria da gravidade estabelecida há mais de 100 anos. Mas nem tudo é como os físicos esperavam. As ondulações que vimos foram produzidas por buracos negros mais maciços do que pensávamos que encontraríamos.

Fazer um buraco negro é fácil. Pegue uma estrela maciça (pelo menos várias vezes mais maciça do que o nosso Sol) e espere vários milhões de anos para que ela se colapse. (Nota de segurança: isso geralmente acontece de forma bastante desordenada.) Depois que a claridade baixar, você ficará com um buraco negro de “massa estelar” agradável, pesando em torno de 10 vezes a massa do Sol. Vemos evidências de buracos negros de massa estelar em toda a galáxia, porque eles têm um mau hábito de separar outras estrelas que estão orbitando em torno deles. LIGO é construído principalmente para ver buracos negros como este, se eles estão em órbitas binárias um com o outro e colidem nas proximidades.

Há também vários buracos negros muito maiores, com massas milhões de vezes a do Sol, nos centros de galáxias. Estes parecem crescer, puxando um monte de gás e poeira de seus arredores, embora o processo de formação para eles ainda esteja um pouco obscuro. Esses buracos negros supermassivos também devem colidir às vezes, mas as ondas gravitacionais dessas colisões são de uma freqüência muito baixa para serem detectadas pela LIGO.

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Os buracos negros que a LIGO viu, no entanto, estão em algum lugar no meio – na faixa de dezenas de massas solares. Nós sempre assumimos que os buracos negros dessa faixa de massa provavelmente deveriam existir, mas são difíceis de encontrar evidências nas observações. Então, por que a LIGO viu isso, e não os buracos negros de massa estelar menores que todos esperavam?

Existem algumas explicações possíveis. Alguns têm a ver com as teorias de como os buracos negros se formam, alguns com a rapidez com que os buracos negros se fundem em diferentes ambientes e alguns com efeitos de seleção: o fato de que as fusões de buraco negro maiores fazem um “splash” maior no espaço-tempo e, portanto, são mais fáceis da LIGO detectar, mesmo longe. O que é definitivamente verdadeiro é que esses buracos negros de tamanho médio estão nos ajudando a refinar nossa compreensão de como os buracos negros se formam e crescem.

Enquanto alguns físicos propuseram que a explicação poderia ser algo realmente exótico, como uma enorme população invisível de buracos negros que sobraram do universo inicial, é muito cedo para dizer que os cálculos anteriores estavam errados ou que nós realmente precisamos reescrever tudo . Este ainda é definitivamente um caso do que nós, na ciência, chamamos estatísticas de pequenos números: até que possamos ter dados de muitos eventos de fusão, não podemos dizer nada definitivamente.

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A boa notícia é que a LIGO continuará procurando, e ao longo do tempo, novos detectores entrarão online e nos darão mais dados e nos ajudarão a identificar a direção de onde cada sinal veio. Isso significa que poderemos ver rajadas de luz que poderiam ser produzidas pelos eventos ou descobrir qual galáxia eles aconteceram, o que fará descobrir como eles aconteceram ainda mais facilmente. Mas mesmo com apenas essas poucas detecções, uma nova era de astronômica começou.

A astronomia das ondas gravitacionais, onde vemos o Universo não apenas através da luz ou nas partículas, mas ao escolher as vibrações do espaço-tempo, é uma verdadeira revolução em nossa visão do cosmos. Só podemos adivinhar o que isso pode nos mostrar, enquanto continuamos a sentir nosso caminho para o vasto desconhecido.

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