O sinal de ondas gravitacionais GW231123, captado pelos dois detetores LIGO nos EUA a 23 de novembro de 2023, resultante da fusão de dois buracos negros, continua a intrigar os cientistas. Dadas as suas grandes massas, a existência destes buracos negros não pode ser explicada com o conhecimento padrão acerca da evolução estelar. Além de serem muito massivos, também giram muito rapidamente. Isto torna a interpretação do sinal particularmente desafiante e sugere, para o sistema binário, uma história de formação invulgar.

Num novo estudo, uma equipa de investigação do Instituto Max Planck de Física Gravitacional (AEI, sigla inglesa para Albert Einstein Institute), no Parque Científico de Potsdam, Alemanha, investigou se as massas e as rotações medidas pareciam maiores do que realmente eram devido ao efeito de uma lente gravitacional.

Luz em trajetórias curvas e ondas gravitacionais distorcidas

A luz que viaja pelo Universo é desviada por objetos massivos, resultando, por vezes, em múltiplas imagens da mesma fonte astrofísica. Este efeito de lente gravitacional tem de ser tido em conta para interpretar corretamente as observações. O efeito de lente é observado rotineiramente em fontes eletromagnéticas, como estrelas e galáxias, e espera-se que ocorra numa fração das fontes de ondas gravitacionais.

"Tal como a luz, as ondas gravitacionais também podem ser desviadas, ampliadas e divididas em múltiplos sinais por objetos massivos", afirma Miguel Zumalacárregui, chefe de grupo no Departamento de Relatividade Astrofísica e Cosmológica do AEI. "No caso das ondas gravitacionais, os efeitos de difração e interferência proporcionam-nos uma forma adicional de identificar e estudar sinais que sofreram lente gravitacional".

A deteção destes efeitos subtis de difração por lente requer detetores sensíveis e métodos inovadores de análise de dados. Para tornar esta análise possível, a equipa desenvolveu uma descrição matemática do efeito de lente das ondas gravitacionais e software suficientemente rápido para analisar os dados.

"Se assumirmos que o sinal GW231123 foi desviado e distorcido por um objeto compacto com cerca de 190 a 850 massas solares - ou por uma estrutura extensa, como um enxame globular -, podemos compreender as grandes massas observadas", afirma Srashti Goyal, coautora principal e investigadora de pós-doutoramento no AEI de Potsdam quando se debruçou neste tema. "Além disso, a interpretação do efeito de lente não requer rotações invulgarmente elevadas". Tendo estes efeitos em conta, a massa total da fonte seria de cerca de 140 massas solares, em vez de cerca de 230 massas solares. O sistema seria, assim, muito menos extremo e mais fácil de enquadrar nos cenários conhecidos de formação de buracos negros.

"Across the Universe"

O título do estudo, "Across the Universe", é uma referência aos Beatles - mas, neste caso, a viagem altera realmente a forma como a fonte se apresenta. À medida que as ondas gravitacionais viajam pelo Universo em expansão, os seus comprimentos de onda são esticados e as suas frequências reduzidas (um efeito conhecido como desvio para o vermelho cosmológico) - o equivalente a baixar o tom de um som. Tal como um violoncelo tocado num tom mais grave pode ser confundido com um contrabaixo, um distante sistema binário de buracos negros pode parecer mais massivo do que realmente é. A ampliação gravitacional contribui para a ilusão, fazendo com que a fonte distante pareça mais próxima.

"A nossa análise também sugere que a lente compacta estava imersa num campo gravitacional mais vasto, como o da galáxia que a acolhe", acrescenta Héctor Villarrubia-Rojo, coautor principal do estudo e investigador de pós-doutoramento na Universidade Complutense de Madrid, em Espanha. "Ao incluir este potencial externo, podemos descrever a difração em pequena escala e a ampliação em grande escala num único quadro".

Novas informações de ondas gravitacionais com efeito de lente

Até ao momento, os investigadores não detetaram de forma inequívoca quaisquer sinais afetados pelo efeito de lente gravitacional nos dados dos detetores de ondas gravitacionais. De acordo com o novo estudo, GW231123 é um candidato promissor para um evento deste tipo.

"A natureza da lente continua a ser um grande mistério na nossa análise, uma vez que lentes compactas individuais com 100 a 1000 massas solares deveriam ser extremamente raras", acrescenta Zumalacárregui. "Trabalhos futuros terão de determinar se tais lentes se podem formar ou se um conjunto de objetos mais leves, incluindo estrelas, pode explicar este evento".

Os dados atuais ainda não permitem afirmar de forma inequívoca que se trata de um efeito de lente gravitacional. No entanto, após novas atualizações dos detetores, os cientistas esperam conseguir detetar e interpretar ondas gravitacionais distorcidas por lentes, utilizando novos métodos de análise de dados.

A deteção - ou a ausência dela - de ondas gravitacionais desviadas pela gravidade de outros objetos proporcionará novas informações sobre a astronomia de ondas gravitacionais: a ampliação gravitacional pode revelar fusões de buracos negros para além da distância que os detetores atuais conseguem normalmente alcançar, enquanto a difração pode sondar objetos compactos e estruturas de matéria escura ao longo da linha de visão. Consequentemente, estas ondas gravitacionais desviadas poderão tornar-se um novo método para explorar o Universo.

// Instituto Max Planck de Física Gravitacional (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (The Astrophysical Journal Letters)

Quer saber mais?

GW231123:
Colaboração LIGO
Wikipedia

Buraco negro:
Wikipedia

Ondas gravitacionais:
GraceDB (Gravitational Wave Candidate Event Database)
Wikipedia
Astronomia de ondas gravitacionais – Wikipedia
Ondas gravitacionais: como distorcem o espaço – Universe Today
Detetores: como funcionam – Universe Today
As fontes de ondas gravitacionais – Universe Today
O que é uma onda gravitacional (YouTube)

Lentes gravitacionais:
Wikipedia

LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory):
Página oficial
Caltech
Wikipedia