Os astrônomos encontraram o “ouro negro” – um tesouro de fusões de buracos negros. E a descoberta foi feita através da análise de ondulações na própria estrutura do espaço e do tempo, ou espaço-tempo, chamadas ondas gravitacionais.
Este enorme conjunto de fusões contidas no Gravitational Wave Transient Catalogue-5.0 (GWTC-5), lançado na terça-feira (26 de maio), pode mudar a nossa compreensão de como os buracos negros se encontram e colidem. O catálogo mais recente contém 161 novos onda gravitacional sinais lançados pela fusão de buracos negros “ouvidos” por detectores de ondas gravitacionais icônicos LIGO (Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro Laser), Virgo e KAGRA (Detector de Ondas Gravitacionais Kamioka) entre abril de 2024 e o final de janeiro de 2025.
Ele traz o número total de buraco negro fusões detectadas por meio de ondas gravitacionais de até 390.
Os destaques do GWTC-5 incluem a detecção de “fusões de segunda geração”, ou colisões entre dois buracos negros que se formaram em fusões anteriores, e a fusão mais precisamente localizada de sempre. Embora o primeiro possa ajudar-nos a compreender melhor as cadeias de fusão que permitem que os buracos negros cresçam até atingirem massas de milhões ou mesmo milhares de milhões de vezes a do Sol, o último poderia ajudar a desenvolver um método de utilização de tais eventos e dos seus sinais de ondas gravitacionais para medir a taxa a que o Universo se está a expandir.
“Esta atualização abundante mais uma vez ampliou e aprofundou nosso conhecimento do universo, e nos deu muito mais vislumbres de seus objetos mais elusivos: buracos negros em colisão”, disse Daniel Williams, pesquisador do Instituto de Pesquisa Gravitacional, em um comunicado. declaração. “Estamos agora a detectar tantos destes sinais que não estamos apenas a aprender sobre colisões individuais; é o equivalente astronómico de descobrir uma civilização antiga.
“Os novos resultados de hoje são como encontrar um tesouro anteriormente desconhecido, revelando não apenas vidas individuais, mas a estrutura de todo um mundo perdido.”
O que são ondas gravitacionais?
As ondas gravitacionais foram propostas pela primeira vez em 1915 como parte do Albert Einsteinteoria da gravidade, conhecida como relatividade geral. A relatividade geral sugere que objetos com massa causam deformação no espaço-tempo (a unificação quadridimensional do espaço e do tempo). Gravidade surge dessa deformação, ou seja, quanto maior a massa, maior a curvatura do espaço-tempo e mais forte a influência gravitacional.
A relatividade geral vai além disso, sugerindo também que quando os objetos aceleram no espaço-tempo, eles criam ondulações que se irradiam à velocidade da luz: ondas gravitacionais. Embora Einstein tenha previsto inicialmente esta ondulação do espaço-tempo, ele estava errado sobre um aspecto das ondas gravitacionais: pensava que a humanidade nunca as detectaria.
O LIGO fez a primeira detecção de ondas gravitacionais em 2015; o sinal veio da colisão e fusão de dois buracos negros massivos localizados a cerca de 1,3 bilhão de anos-luz de distância. Desde então, juntamente com os seus colegas detectores Virgo e KAGRA, o LIGO detectou ondas gravitacionais provenientes de muitas fusões entre pares de buracos negros, pares de estrelas de neutrões ultradensas — e até fusões mistas entre um buraco negro e uma estrela de neutrões.
A sensibilidade dos detectores de ondas gravitacionais só aumentou nos últimos anos, com as detecções ocorrendo atualmente com uma frequência de três a quatro vezes por semana durante as fases de execução observacional entre os períodos de inatividade, o que permite um maior avanço da sensibilidade.
“Há apenas 10 anos fizemos a primeira detecção de ondas gravitacionais de um desses eventos, e é um verdadeiro testemunho do trabalho de centenas de cientistas em todo o mundo que agora estamos detectando e analisando centenas deles”, disse Williams.
As detecções de ondas gravitacionais estão fazendo algum barulho
Duas demonstrações impressionantes da importância dos dados do GWTC-5 são os sinais GW241011 e GW241110 detectados em 11 de outubro de 2024 e 11 de novembro de 2024, respectivamente. São o resultado de duas fusões a 700 milhões de anos-luz de distância e a 2,4 mil milhões de anos-luz de distância, e a rápida rotação dos buracos negros envolvidos e a orientação dessa rotação implicaram que estes quatro buracos negros eram objetos de segunda geração, o que significa que foram criados por fusões anteriores.
“Essas duas observações mostraram sinais característicos de que o buraco negro maior em cada par foi formado não diretamente a partir de uma estrela massiva, mas de uma fusão anterior de dois buracos negros”, disse Storm Colloms, do Instituto de Pesquisa Gravitacional, no comunicado. “As assinaturas de buracos negros formados a partir de fusões anteriores persistem na população como um todo, indicando que GW241011 e GW241110 não são únicos, mas traçam uma tendência subjacente. Agora, temos evidências crescentes de que existem formas de o Universo criar buracos negros em fusão, além daqueles que provêm de estrelas binárias massivas.”
Isto indica que estas duas fusões ocorreram em ambientes estelares densamente compactados, algo que será difícil de investigar porque não é fácil localizar um sinal de onda gravitacional de volta ao seu ponto de origem. Nem sempre é assim, como foi demonstrado pelo sinal GW240615, detectado em 15 de junho de 2024.
Como resultado da fusão de um buraco negro de 26 massas solares com um buraco negro de 30 massas solares a mais de 3 mil milhões de anos-luz de distância, os astrónomos de ondas gravitacionais conseguiram localizar GW240615 numa região do céu medindo apenas 6 graus quadrados. Isso torna o GW240615 o sinal de onda gravitacional localizado com mais precisão até o momento.
“O catálogo atualizado do GWTC-5.0 nos dá uma coleção muito maior de sinais de ondas gravitacionais para ajudar a responder a uma das maiores questões da cosmologia: quão rápido o universo está se expandindo?” Alex Papadopoulos, do Instituto de Pesquisa Gravitacional, disse no comunicado. “A taxa desta expansão é descrita por um valor chamado constante de Hubble. As ondas gravitacionais permitem-nos medir isto estimando a que distância estão os objectos em fusão, quer directamente a partir do próprio sinal, quer identificando a galáxia onde ocorreu a fusão.
“Cada evento contribui com uma pequena quantidade de informação, pelo que, em conjunto, estes sinais adicionais melhoram significativamente os nossos resultados. Juntos, estas melhorias ajudam-nos a medir a constante de Hubble com mais precisão do que nunca, utilizando ondas gravitacionais, aproximando-nos da compreensão de uma das questões em aberto mais importantes da física moderna.”
Também se destaca neste último catálogo o sinal de onda gravitacional GW250114 detectado em 14 de janeiro de 2025. Acredita-se que seja o resultado de um buraco negro de 34 massas solares colidindo e se fundindo com um buraco negro de 32 massas solares a cerca de 1 bilhão de anos-luz de distância. Este sinal foi tão claro que permitiu aos investigadores realizar o teste de relatividade geral mais preciso de sempre, além de confirmar um conceito introduzido por Stephen Hawking chamado teorema da área do buraco negro.
“Com o volume do GW250114, somos capazes de comparar a distorção do espaço-tempo antes e depois da fusão dos buracos negros, e descobrimos que a área total dos horizontes de eventos (o limite externo de um buraco negro que retém a luz) aumentou de acordo com as leis de Hawking da mecânica dos buracos negros”, disse John Veitch, da Universidade de Glasgow, no comunicado. “Após a fusão, o buraco negro final toca como um sino, emitindo ondas gravitacionais em vez de som. A análise destas ondas confirmou que, embora a energia seja libertada em ondas gravitacionais durante a fusão, a entropia total dos buracos negros aumenta de acordo com a segunda lei da termodinâmica.
“Isto mostra que mesmo para os buracos negros as leis da termodinâmica ainda se aplicam, mas, ao contrário dos objetos normais, quanto mais energia retêm, mais frios se tornam.”
É muito provável que LIGO, Virgo e KAGRA continuem a fazer descobertas de ondas gravitacionais que redefinem a nossa compreensão do universo e dos seus eventos mais violentos. Os detectores estão programados para iniciar uma execução de observação intermediária de seis meses (IR1) ainda este ano. Isto preencherá a lacuna entre o final da Execução de Observação 4, que terminou em 18 de novembro de 2025, e o início da Execução de Observação 5, que operará entre 2028 e 2031.
O futuro é brilhante para as ondas gravitacionais – ou deveria ser “barulhento?”
