Um instantâneo de uma simulação que mostra a formação de um buraco negro binário no centro de um denso enxame estelar.
Crédito: Northwestern Visualization/Carl Rodriguez
Quando os detetores gêmeos do LIGO captaram pela primeira vez ténues oscilações nos seus respetivos espelhos idênticos, o sinal não apenas forneceu a primeira detecção direta de ondas gravitacionais - também confirmou a existência de buracos negros binários estelares, que deram origem ao sinal em primeiro lugar.
Os buracos negros binários estelares são formados quando dois buracos negros, produzidos a partir dos restos de estrelas massivas, começam a orbitar-se um ao outro. Eventualmente, os buracos negros fundem-se numa colisão espetacular que, de acordo com a teoria da relatividade geral de Einstein, deve libertar uma enorme quantidade de energia na forma de ondas gravitacionais.
Agora, uma equipe internacional liderada pelo astrofísico Carl Rodriguez do MIT (Massachusetts Institute of Technology) sugere que os buracos negros podem unir-se e fundir-se várias vezes, produzindo buracos negros mais massivos do que aqueles formados a partir de estrelas individuais. Estas "fusões de segunda geração" devem vir de enxames globulares - pequenas regiões do espaço, geralmente nos arredores de uma galáxia, que estão repletas de centenas de milhares a milhões de estrelas.
"Achamos que estes enxames se formaram com centenas a milhares de buracos negros que rapidamente 'afundaram' para o centro," comenta Carl Rodriguez, do Departamento de Física do MIT e do Instituto Kavli para Astrofísica e Investigação Espacial. "Estes tipos de enxames são essencialmente fábricas de buracos negros binários, onde temos tantos buracos negros numa pequena região do espaço que dois se podem fundir e produzir um buraco negro mais massivo. Esse novo buraco negro pode então encontrar outro companheiro e fundir-se novamente."
Se o LIGO detetar um binário com um buraco negro como componente cuja massa é maior do que aproximadamente 50 massas solares, então, de acordo com os resultados do grupo, há uma boa chance de que o objeto não seja de estrelas individuais, mas de um denso aglomerado estelar.
"Se esperarmos tempo suficiente, eventualmente o LIGO verá algo que só poderá ter vindo desses aglomerados estelares, porque será maior do que qualquer coisa que possa vir de uma única estrela," observa Rodriguez.
Ele e os seus colegas divulgaram os seus resultados num artigo publicado na revista Physical Review Letters.
Estrelas fugitivas
Nos últimos anos, Rodriguez tem investigado o comportamento dos buracos negros dentro de enxames globulares e se as suas interações diferem das dos buracos negros que ocupam regiões menos povoadas do espaço.
Os enxames globulares podem ser encontrados na maioria das galáxias e os seus números escalam com o tamanho de uma galáxia. As grandes galáxias elípticas, por exemplo, hospedam dezenas de milhares destes aglomerados estelares, enquanto a nossa Via Láctea possui cerca de 200, estando o mais próximo a cerca de 7000 anos-luz da Terra.
No seu novo trabalho, Rodriguez e colegas relatam o uso de um supercomputador chamado Quest, na Universidade Northwestern, para simular as interações complexas e dinâmicas no interior de 24 enxames estelares, variando de tamanho entre 200.000 a 2 milhões de estrelas e cobrindo uma gama de diferentes densidades e composições metálicas. As simulações modelam a evolução das estrelas individuais no interior destes enxames ao longo de 12 bilhões de anos, seguindo as suas interações com outras estrelas e, por fim, a formação e evolução dos buracos negros. As simulações também modelam as trajetórias dos buracos negros quando se formam.
"O interessante é que, como os buracos negros são os objetos mais massivos nestes enxames, 'afundam-se' para o centro, onde temos uma densidade suficientemente alta de buracos negros para formar binários," explica Rodriguez. "Os buracos negros binários são basicamente alvos gigantescos no enxame e, à medida que são 'atingidos' por outros buracos negros ou estrelas, sofrem encontros loucos e caóticos."
É tudo relativo
Ao executarem as suas simulações, os cientistas adicionaram um ingrediente-chave que faltava nos esforços anteriores para simular enxames globulares.
"O que fizeram no passado foi tratar este problema como puramente Newtoniano," realça Rodriguez. "A teoria da gravidade de Newton funciona em 99,9% dos casos. Os poucos casos em que não funciona podem ser quando temos dois buracos negros que passam muito perto um do outro, o que normalmente não acontece na maioria das galáxias."
As teorias de Newton assumem que, se os buracos negros não tivessem ligação ao início, um não afetaria o outro e simplesmente passariam um pelo outro, inalterados. Esta linha de raciocínio decorre do fato de que Newton não reconheceu a existência de ondas gravitacionais - que Einstein muito mais tarde previu que surgiriam a partir de objetos massivos em órbita, como dois buracos negros em íntima proximidade.
"Na teoria geral da relatividade de Einstein, onde posso emitir ondas gravitacionais, então quando um buraco negro passa perto de outro, eu posso emitir um pequeno pulso de ondas gravitacionais," explica Rodriguez. "Isto pode retirar energia suficiente do sistema para que os dois buracos negros se liguem, fundindo-se rapidamente."
A equipe decidiu acrescentar os efeitos relativistas de Einstein nas suas simulações dos enxames globulares. Depois de correrem as simulações, observaram a fusão de buracos negros para criarem novos buracos negros, dentro dos próprios enxames estelares. Sem os efeitos relativistas, a gravidade Newtoniana prevê que a maioria dos buracos negros binários sejam expulsos do enxame por outros buracos negros antes que possam fundir-se. Mas ao levar em conta os efeitos relativistas, Rodriguez e colegas descobriram que quase metade dos buracos negros binários se fundiram no interior dos seus enxames estelares, produzindo uma nova geração de buracos negros mais massivos que aqueles formados a partir de estrelas. O que acontece a estes novos buracos negros dentro do enxame é uma questão de rotação.
"Se os dois buracos negros estão a girar quando se fundem, o buraco negro resultante irá emitir ondas gravitacionais numa única direção preferida, como um foguetão, criando um novo buraco negro que pode ser disparado até 5000 km/s - uma velocidade incrivelmente rápida," comenta Rodriguez. "Só precisa de um empurrão de talvez algumas dezenas a centenas de quilômetros por segundo para escapar de um destes enxames."
Devido a este efeito, os cientistas concluíram que o produto de qualquer fusão entre buracos negros seria expulso do enxame, uma vez que se supunha que a maioria dos buracos negros gira muito depressa.
No entanto, esta suposição parece contradizer as medições do LIGO, que até agora só detetou buracos negros com rotações baixas. Para testar tais implicações, Rodriguez reduziu as rotações dos buracos negros nas suas simulações e descobriu que, neste cenário, quase 20% dos buracos negros binários nos enxames tinham, pelo menos, um buraco negro formado numa fusão anterior. Dado que se formaram a partir de outros buracos negros, alguns destes buracos negros de segunda geração podem encontrar-se na faixa das 50 a 130 massas solares. Os cientistas pensam que buracos negros com esta massa não se podem formar a partir de uma única estrela.
Rodriguez diz que se os telescópios de ondas gravitacionais, como o LIGO, detetarem um objeto com uma massa dentro desta gama, há boas probabilidades de que não tenha vindo de uma única estrela em colapso, mas de um denso enxame estelar.
"Eu e os meus coautores temos uma aposta contra algumas pessoas que estudam a formação de buracos negros binários que, até às primeiras 100 detecções do LIGO, este detetará algo dentro desta faixa superior de massa," diz Rodriguez. "Eu recebo uma boa garrafa de vinho se isso for verdade."
Simulação que mostra o encontro entre um buraco negro binário (laranja) com um buraco negro estelar (azul) com efeitos relativistas. Eventualmente os dois buracos negros emitem um surto de ondas gravitacionais e fundem-se, produzindo um novo buraco negro (vermelho).
Crédito: Carl Rodriguez
FONTE: ASTRONOMIA ONLINE
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