Ouvindo o "timbre" dos buracos negros

A teoria da relatividade geral de Albert Einstein descreve a forma como o tecido do espaço-tempo, é curvado em resposta à massa.

© Y. Steele (ilustração do espaço-tempo de um buraco negro)

A imagem mostra o remanescente da fusão de um buraco negro binário que está emitindo as suas últimas ondas gravitacionais antes de assentar. As ondas gravitacionais previstas pela relatividade geral são representadas pelas espirais azuis que se afastam do buraco negro. Os desvios da relatividade geral podem aparecer como deformações das ondas gravitacionais e são representados pelas espirais vermelhas.

O nosso Sol, por exemplo, deforma o espaço à nossa volta de tal forma que o planeta Terra orbita o Sol como uma bola de gude atirado para um funil (a Terra não cai para o Sol devido ao impulso lateral do planeta). 

A teoria, que foi revolucionária no momento em que foi proposta em 1915, reformulou a gravidade como uma curvatura do espaço-tempo. Por muito fundamental que esta teoria seja para a própria natureza do espaço à nossa volta, isso pode não ser o fim da história. Em vez disso, as teorias quânticas da gravidade, que tentam unificar a relatividade geral com a física quântica, contêm segredos sobre o funcionamento do nosso Universo a níveis mais profundos. 

Um dos locais onde se podem procurar assinaturas quânticas de gravidade é nas poderosas colisões entre buracos negros, onde a gravidade atinge o seu ponto mais extremo. Os buracos negros são os objetos mais densos do Universo, onde a sua gravidade é tão forte que espremem os objetos que neles caem como se fossem espaguete. 

Quando dois buracos negros colidem e se fundem num corpo maior, perturbam o espaço-tempo ao redor, enviando ondas gravitacionais em todas as direções. O LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) tem detectado regularmente ondas gravitacionais geradas por fusões de buracos negros desde 2015 (os seus observatórios parceiros, Virgo e KAGRA, juntaram-se à caça em 2017 e 2020, respetivamente). 

No entanto, até agora, a teoria da relatividade geral tem passado teste após teste, sem sinais de ruptura. Agora, dois novos artigos científicos liderados pelo Caltech (California Institute of Technology), publicados nos periódicos Physical Review X e Physical Review Letters, descrevem novos métodos para submeter a relatividade geral a testes ainda mais rigorosos.

Observando mais de perto as estruturas dos buracos negros e as ondulações no espaço-tempo que produzem, os cientistas procuram sinais de pequenos desvios da relatividade geral que indiciem a presença de gravitação quântica. Quando dois buracos negros se fundem para produzir um buraco negro maior, o buraco negro final gera um sinal sonoro.

A qualidade do seu timbre, pode ser diferente das previsões da relatividade geral se certas teorias da gravitação quântica estiverem corretas. Estes métodos foram concebidos para procurar diferenças na qualidade desta fase de descida do zumbido, como os harmônicos e os sobretons. 

O primeiro artigo, publicado na revista Physical Review X, apresenta uma nova equação para descrever o "timbre" dos buracos negros no âmbito de certas teorias quânticas da gravidade. O trabalho baseia-se numa equação inovadora desenvolvida há 50 anos por Saul Teukolsky, professor de astrofísica teórica no Caltech. Teukolsky tinha desenvolvido uma equação completa para compreender melhor a forma como as ondulações da geometria do espaço-tempo se propagam à volta dos buracos negros. Em contraste com os métodos numéricos da relatividade, em que são necessários supercomputadores para resolver simultaneamente muitas equações diferenciais da relatividade geral, a equação de Teukolsky é muito mais simples de utilizar e fornece uma visão física direta do problema. 

Se alguém quiser resolver todas as equações de Einstein da fusão de um buraco negro para a simular com precisão, tem de recorrer a supercomputadores. Os métodos numéricos da relatividade são extremamente importantes para simular com exatidão as fusões de buracos negros e constituem uma base crucial para a interpretação dos dados do LIGO. Mas é extremamente difícil para os físicos extrair intuições diretamente dos resultados numéricos. A equação de Teukolsky fornece uma visão intuitiva do que se está passando na fase de descida do zumbido. Esta equação permite modelar e compreender as ondas gravitacionais que se propagam à volta dos buracos negros, que são mais exóticas do que Einstein previu.

O segundo artigo, publicado na revista Physical Review Letters, descreve uma nova forma de aplicar a equação de Teukolsky aos dados reais obtidos pelo LIGO e pelos seus parceiros na sua próxima série de observações. Esta abordagem de análise de dados utiliza uma série de filtros para remover características do "timbre" de um buraco negro previstas pela relatividade geral, de modo a que possam ser reveladas assinaturas potencialmente sutis além da relatividade geral.

Os físicos encontraram uma forma de traduzir um grande conjunto de equações complexas numa só equação, o que é extremamente útil. Esta equação é mais eficiente e mais fácil de usar do que os métodos que usados anteriormente. Os dois estudos complementam-se e podem aumentar significativamente a capacidade para sondar a gravidade.

Fonte: California Institute of Technology