O que aprendemos sobre o Universo após observar 50 eventos de ondas gravitacionais

Ilustração de dois buracos negros que processo de fusão, gerando ondas gravitacionais que se propagam conforme os objetos espiralam um em direção ao outro. Crédito: LIGO / T. Pyle

Durante um período de seis meses no ano de 2019, astrônomos observaram nada menos do que 39 eventos cósmicos que resultaram na produção de ondas gravitacionais — uma taxa superior a uma detecção por semana. As observações, que foram descritas em uma série de artigos publicada no dia 28 de outubro, demonstram o avanço na sensibilidade dos observatórios de ondas gravitacionais desde que foi feita a primeira detecção do gênero, em 2015. O crescimento dos dados está ajudando os astrônomos a mapear a frequência com que tais eventos têm acontecido ao longo da história do Universo.

As ondas gravitacionais são ondulações no “tecido” do espaço-tempo que se originam de massas em aceleração, em particular quando dois objetos imensamente massivos giram um ao redor do outro e depois se fundem. Suas propriedades permitiram que fizéssemos diversos testes das previsões feitas pela teoria da relatividade geral de Albert Einstein, e geraram algumas das evidências mais fortes já identificadas da existência de buracos negros. E graças às ondas gravitacionais, os astrônomos ganharam uma nova janela para observar o cosmos, depois das ondas eletromagnéticas e dos raios cósmicos.

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Os dados recém-publicados descrevem eventos observados durante a terceira fase de atividades do Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferometria Laser (LIGO) — que consiste de um par de detectores gêmeos que ficam nas cidades de Hanford e de Livingstone, nos EUA — e do seu parceiro europeu, o observatório Virgo, que fica na Itália. Este é o segundo catálogo de eventos observados pela colaboração a ser divulgado. O primeiro saiu em dezembro de 2018, e descrevia as primeiras 11 detecções. No total, a rede de observatórios já conseguiu registrar 50 eventos de ondas gravitacionais.

Descobriu-se que a maior parte das ondas detectadas se originaram de fusões de dois buracos negros. Os detectores também avistaram algumas colisões entre duas estrelas de nêutrons, e pelo menos uma fusão entre uma estrela de nêutrons e um buraco negro. As fusões que envolvem estrelas de nêutrons são especialmente interessantes para astrofísicos porque se esperava que elas emitissem, além das ondas gravitacionais, uma luz comum, o que foi confirmado pela observação da fusão de uma estrela dessas em agosto de 2017. Alguns dos eventos mais espetaculares descritos no catálogo já haviam sido reportados em artigos. Entre eles estavam a maior fusão entre dois buracos negros e as mais assimétricas — nas quais dois buracos negros de massas completamente diferentes colidiram.

Uma descoberta surpreendente diz respeito às massas dos buracos negros envolvidos nas fusões. Os astrofísicos esperavam encontrar um limite claro, de forma que nenhum buraco negro envolvido tivesse massa superior a 45 vezes a massa do Sol. “Agora vemos que isso não é algo tão definido”, diz Maya Fishbach, pesquisadora da LIGO na Universidade de Northwestern. O catálogo inclui três eventos com massas acima desse limite, incluindo uma detecção anunciada em setembro que envolveu um buraco negro com 85 massas solares.

A quantidade de dados permitiu aos pesquisadores da colaboração LIGO-Virgo fazer uma estimativa por alto da taxa de fusões de buracos negros em uma galáxia de médio porte. Ao que parece, a taxa atingiu seu pico de oito bilhões de anos atrás, logo após um período de intensidade particularmente alta de formação de novas estrelas, algumas das quais posteriormente se tornaram buracos negros, diz Fishbach.

O catálogo também fornece informações sobre como se dá o movimento de rotação dos buracos negros em torno do próprio eixo. Esse é um elemento essencial para que se possa entender como era a órbita dos dois objetos, um ao redor do outro, antes que se fundissem num só. Os dados mostram que, em alguns casos, os eixos de rotação da dupla de buracos negros estavam desalinhados um em relação ao outro. Isso sugere que se formaram de forma independente. Mas muitos outros sistemas binários parecem ter eixos de rotação aproximadamente alinhados, o que seria o esperado nos casos em que os dois buracos negros começam suas vidas como um sistema binário de estrelas. Existem dua sescolas de pensamento sobre esse assunto, cada uma favorecendo um dos dois cenários. Agora, parece que ambas estavam corretas, diz Fishbach.

Davide Castelvecchi

Publicado em 03/11/2020