Será que ondas gravitacionais já captadas foram distorcidas por galáxias?
Ganhador do Nobel diz que o LIGO observou sinais amplificados de fusões de buracos negros, mas cientistas discordam
Anunciada pela colaboração científica LIGO em fevereiro de 2016, a descoberta das ondas no espaço-tempo, conhecidas como ondas gravitacionais, foi suficientemente importante para merecer o Prêmio Nobel de Física de 2017. Agora, outro laureado com o Nobel diz que o LIGO, sem saber, fez outra descoberta espetacular: ondas gravitacionais de buracos negros que foram amplificadas pela gravidade de galáxias que estavam no caminho até a Terra.
Chamado de lente gravitacional, esse fenômeno é rotineiramente usado para estudar a luz de objetos no Cosmo distante. Mas a nova afirmação, se provada correta, faria desta a primeira a ser avistada no campo das ondas gravitacionais. A alegação controversa, que foi rejeitada pelos membros da equipe do LIGO, vem do físico Nobel George Smoot, da Universidade da Califórnia, em Berkeley, e seus colegas. “Estamos apostando nossas reputações nisso”, diz ele.
O LIGO (sigla para Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferometria Laser), composto por dois detectores nos EUA, e o Virgo, um detector fora da cidade de Pisa, na Itália, já anunciaram observações das ondas gravitacionais geradas pelas fusões de 10 pares de buracos negros, bem como de um par de estrelas de nêutrons.
São os buracos negros que Smoot tem em vista. De acordo com uma análise LIGO-Virgo, as fusões de buracos negros teriam ocorrido no Universo relativamente próximo, geralmente a alguns bilhões de anos-luz da Terra. Muitos dos buracos negros que se fundiram tinham uma massa de cerca de 30 sóis, e um deles tinha cerca de 50 massas solares. Esses buracos negros são formados pelo colapso gravitacional de estrelas gigantes. De acordo com Smoot, nossa galáxia — e, por extensão, o Universo vizinho pesquisado pelo LIGO, carece das estrelas de baixa metalicidade que são necessárias para formar buracos negros tão grandes. Se assim for, isso deve levar a uma escassez local de buracos negros com a faixa de massas vista pelo LIGO. “O máximo que se poderia alcançar é cerca de 20 massas solares”, diz Smoot. “Exceto em situações muito incomuns.”
Em apoio à sua argumentação, Smoot e os astrofísicos Tom Broadhurst, da Universidade do País Basco, em Bilbao, Espanha, e José María Diego, da Universidade de Cantábria, em Santander, Espanha, apontam para levantamentos de raios X de pares de buracos negros na Via Láctea que sugerem que a distribuição de massa desses buracos negros atinge o pico em torno de 10 massas solares. Presumindo que essa mesma distribuição vale para os buracos negros no maior volume de espaço estudado pelo LIGO, Smoot e seus colegas argumentam que as estimativas mais altas de massa do buraco negro da equipe LIGO-Virgo devem ser um erro de cálculo. Em vez de ver as ondas gravitacionais de buracos negros anormalmente grandes se fundindo no Universo próximo, Smoot e seus colegas dizem que LIGO e Virgo estão realmente vendo eventos de fusão menores e muito mais distantes – da ordem de 10 bilhões de anos-luz de distância – porém ampliados e ampliados e tornados visíveis através de lentes gravitacionais.
O TELESCÓPIO ESPAÇO-TEMPO DE EINSTEIN
De acordo com a Teoria da relatividade geral de Einstein, as lentes gravitacionais se formam porque galáxias e aglomerados de galáxias distorcem visivelmente o espaço-tempo. Se uma galáxia está entre a Terra e algum objeto distante, então essa galáxia se comporta como uma lente, curvando o espaço-tempo para ampliar a luz desse objeto, como visto da Terra. As ondas gravitacionais também devem seguir o espaço-tempo curvo – para que também possam tornar-se lentes e ampliadas por lentes gravitacionais. Além disso, quanto maior a distância de um objeto da Terra, maior a chance de sua luz – ou de ondas gravitacionais – serem afetadas pelas lentes gravitacionais geradas por uma galáxia no caminho. Todas juntas, essas circunstâncias geram a base para a alegação da Smoot e seus colegas. A dupla LIGO-Virgo deve estar vendo fusões de buracos negros através de lentes gravitacionais. “Estamos dizendo que em dois terços dos eventos de detecção ocorreram lentes gravitacionais”, diz Smoot, analisando o catálogo de detecções gerado pela dupla LIGO – Virgo.
Daniel Holz, membro da colaboração LIGO na Universidade de Chicago, não está totalmente convencido. Ele e seus colegas previram, bem antes de o LIGO e o Virgo fazerem suas detecções, que os observatórios veriam fusões de buracos negros de cerca de 30 massas solares cada. Ele concorda que um número maior de estrelas de baixa metalicidade teria se formado no Universo primordial em comparação com o Universo de hoje – e, portanto, mais buracos negros com massa solar de 30 teriam se formado em comparação com agora. Mas apesar da maioria desses buracos negros se formarem em épocas cósmicas anteriores, ele permanece confiante de que LIGO e o Virgo estão detectando suas fusões agora, no Universo relativamente local, porque a dança gravitacional que leva à coalescência de dois buracos negros orbitais é um processo que se desdobra ao longo de bilhões de anos.
Além disso, Holz acrescenta, levantamentos baseados em terra mostraram que algumas regiões de baixa metalicidade de fato existem no Universo local, as quais poderiam abrigar tais binários de buracos negros com 30 massas solares cada. “Você coloca tudo isso junto e faz uma previsão para o que você deve ver com o LIGO”, diz ele. E as detecções estão de acordo com as previsões, acrescenta, tornando improvável que qualquer um dos eventos LIGO-Virgo seja um evento envolvendo lente. “Os atuais fundamentos teóricos da formação e evolução de estrelas e a formação e evolução binária de buracos negros parecem explicar todas as observações do LIGO até o momento razoavelmente bem. Não há necessidade de ir para modelos extremamente especulativos.”
UMA NOVA DESCOBERTA – OU UMA MIRAGEM?
Smoot e colegas, no entanto, não estão recuando. Eles acham que identificaram pelo menos um evento de lentes definitivo nos dados do LIGO-Virgo. Quando uma fonte distante está sendo captada, as ondas de luz ou gravitacionais da fonte podem tomar vários caminhos ao redor da galáxia que age como uma lente, e esses caminhos podem chegar à Terra em momentos diferentes, criando múltiplas imagens.
De acordo com a análise, dois eventos – uma detecção em 9 de agosto de 2017 (GW170809) e outros cinco dias depois (GW170814) – são na verdade imagens diferentes da mesma fusão. A equipe argumenta que os sinais compartilham muitas características cruciais, que em ambos os casos levam a estimativas quase idênticas para as massas dos buracos negros que se fundem. Há também uma pequena sobreposição em seus locais aproximados no céu.
A equipe do LIGO discorda. O membro da colaboração Parameswaran Ajith, do Centro Internacional de Ciências Teóricas, em Bengaluru, na Índia, e seus colegas analisaram todos os 10 eventos de fusão de buracos negros vistos pelo LIGO-Virgo. Eles procuraram por coerência entre pares de eventos, o que poderia ser sugestivo de lentes. Eles levaram em conta sete características diferentes de cada par, incluindo alguns não considerados pela equipe de Smoot, como o momento angular de giro dos buracos negros e a orientação do binário. Dois pares de eventos, sendo um deles o par GW170809-GW170814, mostraram mais correlações do que outros
Mas a análise de Ajith e seus colegas mostrou que, mesmo para esses pares, havia mais de 5% de chance de as correlações surgirem por acaso (menos do que o chamado resultado do 2-sigma). Na física, as afirmações de uma descoberta geralmente exigem um resultado de 5-sigma, ou menos de 0,00006% de chance de ser um acaso estatístico. “Menos de 2-sigma não é sequer considerado plausível”, diz Ajith. Em outras palavras, as correlações que Smoot e sua equipe dizem serem significativas podem ser meras miragens nos dados.
O TEMPO DIRÁ
Observações não controversas de ondas gravitacionais com lente aumentariam significativamente o escopo da ciência que é possível se fazer com o LIGO e o Virgo. Para começar, a lente cria múltiplas imagens ou sinais do mesmo evento, e a chegada desses sinais na Terra pode ser separada por horas, dias ou semanas. Como a orientação dos instrumentos do LIGO e do Virgo em relação à fonte teria mudado entre as detecções, devido à rotação da Terra, isso seria semelhante a ter vários detectores observando (e gerando mais informações sobre) o mesmo evento. “Se você pode combinar isso com observações ópticas da galáxia de lentes, você pode ser capaz de identificar a fonte do buraco negro binário muito bem”, diz Ajith.
E como os eventos derivados seriam do Universo inicial, eles permitiriam que os físicos perguntassem e respondessem a mais nuances sobre, por exemplo, a evolução de estrelas e buracos negros ao longo do tempo. “Em vez de fazer astronomia, você também faz cosmologia”, diz Broadhurst.
Holz está esperando por evidências mais fortes, mas está animado com a perspectiva. “Não seria incrível, algum dia, ser capaz de medir um evento que foi bastante alterado por lentes?” Ele acha que será aguardar pela próxima geração de detectores de ondas gravitacionais para obter observações incontestáveis de antigas fusões de buracos negros, cujas ondulações foram, afortunadamente, desviadas em direção à Terra por galáxias desconhecidas ao longo do caminho.
Anil Ananthaswamy