Som de um buraco negro a ser lançado pelo espaço ouvido pela primeira vez

A pancada de recuo gerada quando dois buracos negros colidem foi agora quantificada através de ondas gravitacionais.

Pela primeira vez, conseguiu-se medir não só a rapidez com que o buraco negro resultante foi “atirado” através do espaço, mas também a direcção desse movimento. Este avanço abre uma nova via para compreender melhor as fusões de buracos negros.

Ondas gravitacionais e a fusão de buracos negros: o que foi observado

A partir do evento de ondas gravitacionais GW190412, registado em 2019, astrónomos concluíram que a assimetria do choque imprimiu ao buraco negro final um recuo com velocidades superiores a 50 quilómetros por segundo.

“Este é um dos raros casos em astrofísica em que não nos limitamos a detectar um fenómeno - estamos a reconstruir o movimento completo em 3D de um objecto a milhares de milhões de anos-luz, usando apenas ondulações no espaço-tempo”, afirma o astrofísico Koustav Chandra, da Universidade Estatal da Pensilvânia.

“É uma demonstração extraordinária do que as ondas gravitacionais conseguem fazer.”

Dez anos de deteções e centenas de colisões de buracos negros

Passaram cerca de 10 anos desde a primeira deteção de ondas gravitacionais e, desde então, os detectores LIGO, Virgo e KAGRA já registaram centenas de colisões de buracos negros a ecoar pelo Universo.

Uma forma intuitiva de as imaginar é como as ondulações num lago - só que, neste caso, o “lago” é o espaço-tempo. À medida que dois buracos negros espiralam um em direcção ao outro, os seus campos gravitacionais em interacção deformam o espaço-tempo e enviam essas ondulações para fora à velocidade da luz.

No final desta dança ocorre um pico gravitacional intenso quando os buracos negros colidem e se unem, formando um único objecto. Ao descodificar este sinal, os cientistas conseguem inferir propriedades como a massa e o spin (rotação) de cada um dos dois buracos negros iniciais, bem como a massa do produto final da fusão.

“Orquestra” gravitacional: por que a posição do observador importa

“Uma fusão de buracos negros pode ser entendida como uma sobreposição de sinais diferentes, tal como a música de uma orquestra resulta da combinação de muitos instrumentos”, explica o astrofísico Juan Calderon-Bustillo, da Universidade de Santiago de Compostela, em Espanha.

“No entanto, esta orquestra tem uma particularidade: pessoas colocadas em posições diferentes à sua volta registam combinações distintas de ‘instrumentos’, o que lhes permite perceber com precisão onde se encontram em relação a ela.”

O “pontapé natal”: quando a explosão (ou a fusão) não é equilibrada

Um dos resultados mais dramáticos de eventos cósmicos violentos - como uma supernova por colapso do núcleo ou uma fusão de buracos negros - é o chamado pontapé natal (ou recuo natal). Se o evento for assimétrico (por exemplo, uma supernova mais energética de um lado, ou um binário de buracos negros com massas muito diferentes), a energia libertada não se distribui de forma uniforme. O objecto compacto recém-formado recebe então um empurrão gigantesco numa direcção preferencial.

Em 2018, Calderon-Bustillo e colegas propuseram um método para medir esse recuo a partir de dados de ondas gravitacionais de fusões, explorando as massas e os spins dos buracos negros envolvidos. O procedimento exigia um conjunto específico de condições que, na altura, ainda não tinha sido observado - mas pouco depois surgiu o tipo de evento certo.

GW190412: um binário muito desigual e um sinal rico em dados

Em Abril de 2019, a colaboração LIGO–Virgo detectou finalmente uma colisão entre dois buracos negros num binário extremamente desigual. Um deles tinha cerca de 29,7 massas solares, enquanto o outro era mais de três vezes menos massivo, com 8,4 massas solares.

Além disso, por se tratar de um sistema relativamente “leve” face a fusões mais massivas, o sinal durou mais tempo, fornecendo um conjunto de dados particularmente abundante.

Aplicando a sua técnica de análise, os investigadores estimaram o ângulo e a velocidade com que o buraco negro remanescente foi ejectado do local da colisão - rápido o suficiente para poder ser expulso de um enxame globular, um aglomerado de estrelas densamente ligado dentro de uma galáxia.

Naturalmente, não é possível afirmar se este buraco negro se encontrava de facto num enxame globular: a fusão ocorreu a cerca de 2,4 mil milhões de anos-luz, e os instrumentos actuais não têm resolução para identificar um enxame globular a tal distância. Ainda assim, se for esse o caso, é provável que o remanescente esteja a caminho de sair desse ambiente.

Porque medir o recuo é importante para a astrofísica

Os autores defendem que esta abordagem pode tornar-se uma ferramenta poderosa para investigar fusões de buracos negros, sobretudo ao ligar a geometria do evento à forma como o sinal é observado na Terra.

Além disso, compreender a distribuição de velocidades e direcções de recuo ajuda a responder a uma questão mais ampla: onde é que os buracos negros remanescentes acabam por ficar. Recuos suficientemente fortes podem remover buracos negros de enxames estelares densos e alterar a forma como esses ambientes produzem novas fusões ao longo do tempo, afectando o “histórico” de colisões que os detectores conseguem registar.

Com redes de detectores cada vez mais sensíveis e melhor distribuídas, será possível reconstruir com maior precisão a orientação das fontes de ondas gravitacionais, o que deverá tornar as estimativas de recuo mais robustas e permitir comparar populações de eventos em diferentes tipos de ambientes cósmicos.

Flashes electromagnéticos e a ligação entre sinais

“Fusões de buracos negros em ambientes densos podem originar sinais electromagnéticos detectáveis - conhecidos como flares - quando o buraco negro remanescente atravessa um meio denso, como o de um núcleo galáctico activo”, afirma o astrofísico Samson Leong, da Universidade Chinesa de Hong Kong.

“Como a visibilidade do flare depende da orientação do recuo em relação à Terra, medir esses recuos vai permitir distinguir entre um verdadeiro par de sinais - ondas gravitacionais e emissão electromagnética - proveniente de um binário de buracos negros, e uma coincidência aleatória.”

A investigação foi publicada na Nature Astronomy.