NOVO ESTUDO PROPÕE QUE EXPANSÃO DO UNIVERSO IMPACTA DIRETAMENTE O CRESCIMENTO DOS BURACOS NEGROS 9 de novembro de 2021
Primeira imagem renderizada de um buraco negro, iluminado por matéria em queda.
Crédito: Jean-Pierre Luminet
Ao longo dos últimos seis anos, os observatórios de ondas gravitacionais têm detetado fusões de buracos negros, verificando uma grande previsão da teoria da gravidade de Albert Einstein. Mas há um problema - muitos destes buracos negros são inesperadamente grandes. Agora, uma equipa de investigadores da Universidade do Hawaii em Manoa, da Universidade de Chicago e da Universidade de Michigan em Ann Arbor propôs uma nova solução para este problema: os buracos negros crescem de mãos dadas com a expansão do Universo.
Desde a primeira observação da fusão de buracos negros pelo LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) em 2015 que os astrónomos têm ficado repetidamente surpreendidos pelas suas grandes massas. Embora não emitam luz, as fusões de buracos negros são observadas por meio da emissão de ondas gravitacionais - ondulações na estrutura do espaço-tempo que foram previstas pela teoria da relatividade geral de Einstein. Os físicos originalmente esperavam que os buracos negros tivessem massas inferiores a cerca de 40 vezes a massa do Sol, dado que os buracos negros em fusão surgem de estrelas massivas que não conseguem manter-se unidas caso fiquem demasiado grandes.
No entanto, os observatórios LIGO e Virgo encontraram muitos buracos negros com massas superiores a 50 sóis, alguns tão massivos quanto 100 sóis. Foram propostos vários cenários de formação que dão origem a buracos negros assim tão grandes, mas nenhum cenário foi capaz de explicar a diversidade das fusões de buracos negros observadas até agora, e não há concordância sobre qual a combinação de cenários de formação fisicamente viável. Este novo estudo, publicado na revista The Astrophysical Journal Letters, é o primeiro a mostrar que grandes e pequenas massas de buracos negros podem resultar de um único percurso, em que os buracos negros ganham massa com a expansão do próprio Universo.
Os astrónomos normalmente modelam buracos negros dentro de um Universo que não pode expandir-se. "É uma suposição que simplifica as equações de Einstein porque um Universo que não cresce é muito mais fácil de monitorizar," disse Kevin Croker, professor no Departamento de Física e Astronomia da Universidade do Hawaii. "Porém, há um senão: as previsões só são razoáveis por um período limitado de tempo."
Dado que os eventos individuais detetáveis pelo LIGO-Virgo duram apenas alguns segundos, na análise de um único evento esta simplificação faz sentido. Mas estas mesmas fusões estão potencialmente a ocorrer há milhares de milhões de anos. Durante o tempo entre a formação de um par de buracos negros e a sua eventual fusão, o Universo cresce profundamente. Se os aspetos mais subtis da teoria de Einstein forem cuidadosamente tidos em conta, surge uma possibilidade surpreendente: as massas dos buracos negros podem crescer em sintonia com o Universo, um fenómeno que Croker e a sua equipa chamam de acoplamento cosmológico.
O exemplo mais conhecido de material cosmologicamente acoplado é a própria luz, que perde energia à medida que o Universo cresce. "Pensámos em considerar o efeito oposto," disse Duncan Farrah, coautor da investigação e professor de Física e Astronomia na Universidade do Hawaii. "O que observaria o LIGO-Virgo se os buracos negros estivessem cosmologicamente acoplados e ganhassem energia sem a necessidade de consumir outras estrelas e gás?"
Para investigar esta hipótese, os investigadores simularam o nascimento, vida e morte de milhões de pares de estrelas grandes. Quaisquer pares em que ambas as estrelas morreram para formar buracos negros foram então associados ao tamanho do Universo, começando na hora da sua morte. À medida que o Universo continuava a crescer, as massas destes buracos negros cresceram enquanto espiralavam um em direção ao outro. O resultado não foi apenas buracos negros mais massivos aquando da fusão, mas também muitas mais fusões. Quando os investigadores compararam os dados do LIGO-Virgo com as suas previsões, estes estavam em razoável concordância. "Devo dizer que não sabia o que pensar ao início," disse Gregory Tarlé, coautor da investigação e professor na Universidade de Michigan. "Foi uma ideia simples que fiquei surpreso por ter funcionado tão bem."
De acordo com os cientistas, este novo modelo é importante porque não requer nenhuma mudança no nosso entendimento atual da formação, evolução e morte estelar. A concordância entre o novo modelo e os nossos dados atuais vem simplesmente de admitir que os buracos negros realistas não existem num Universo estático. Os investigadores tiveram o cuidado de enfatizar, no entanto, que o mistério dos enormes buracos negros do LIGO-Virgo está longe de estar resolvido.
"Muitos dos aspetos da fusão dos buracos negros não são conhecidos em detalhe, como os ambientes de formação dominante e os intricados processos físicos que persistem ao longo das suas vidas," disse Michael Zevin, coautor da investigação que trabalha no Hubble da NASA. "Embora tivéssemos usado uma população estelar simulada que reflete os dados que temos atualmente, há muito espaço de manobra. Podemos ver que o acoplamento cosmológico é uma ideia útil, mas ainda não conseguimos medir a força deste acoplamento."
O professor Kurtis Nishimura, coautor da investigação e professor na Universidade do Hawaii, expressou o seu otimismo no que toca a testes futuros desta nova ideia: "À medida que os observatórios de ondas gravitacionais continuam a melhorar a sensibilidade durante a próxima década, o aumento da quantidade e qualidade dos dados permitirá novas análises técnicas. Isto será medido em breve."
Comparação de observações da fusão de buracos negros com previsões do novo modelo. O eixo horizontal mostra a massa total de ambos os buracos negros em qualquer fusão individual, em relação à massa do Sol.
Crédito: Croker et al., 2021
