A fusão de dois buracos negros é um evento extraordinário, revelando as configurações mais selvagens e extremas do espaço, tempo e gravidade conhecidas pela ciência.
Pesquisadores agora conseguiram a melhor observação de tal evento com base na detecção de ondulações no espaço-tempo chamadas ondas gravitacionais, em uma detecção que respalda fortemente as hipóteses dos físicos Albert Einstein e Stephen Hawking.
A colisão ocorreu a 1,3 bilhão de anos-luz da Terra em uma galáxia além da nossa Via Láctea, e envolveu dois buracos negros —um com cerca de 34 vezes a massa do Sol e o outro com cerca de 32 vezes a massa do Sol. Eles se fundiram em uma fração de segundo após orbitarem um ao outro a quase a velocidade da luz, e deixaram para trás um único buraco negro com aproximadamente 63 vezes a massa do S ol que girava a aproximadamente 100 revoluções por segundo.
Um ano-luz é a distância que a luz percorre em um ano, 9,5 trilhões de km. Buracos negros são objetos extraordinariamente densos com uma atração gravitacional tão forte que nem mesmo a luz pode escapar.
A fusão liberou uma quantidade tremenda de energia que irradiou para fora como ondas gravitacionais, uma quantidade equivalente à pulverização de três estrelas do tamanho do Sol. Essas ondas foram detectadas em 14 de janeiro em locais de pesquisa em Hanford, Washington e Livingston, Louisiana, que fazem parte do Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser da Fundação Nacional de Ciência dos EUA.
Essas observações ocorreram cerca de uma década após a primeira detecção revolucionária de ondas gravitacionais, que foram produzidas por uma fusão semelhante. Melhorias tecnológicas desde 2015 significaram que esta fusão foi observada com resolução quatro vezes melhor que a anterior.
Ondas gravitacionais se propagam para fora de uma fonte como ondulações em um lago. Neste caso, o lago é o espaço-tempo, o tecido quadridimensional que combina as três dimensões do espaço —altura, largura e comprimento— com a dimensão do tempo.
“Graças a Albert Einstein, sabemos que o espaço e o tempo estão entrelaçados e são melhor entendidos como facetas de uma única entidade, o espaço-tempo”, disse o astrofísico Maximiliano Isi da Universidade de Columbia e do Instituto Flatiron, um dos líderes do estudo publicado na quarta-feira na revista Physical Review Letters.
“Isso se manifesta, por exemplo, no fato de que o tempo flui em ritmos diferentes dependendo de onde você está: perto de um objeto pesado, como um buraco negro, o tempo flui mais lentamente em comparação com alguém mais distante, de modo que alguém próximo a um buraco negro envelheceria mais lentamente”, disse Isi.
Os pesquisadores analisaram as frequências das ondas gravitacionais detectadas para discernir qualidades fundamentais dos buracos negros imediatamente antes e depois da fusão. Embora essas frequências não fossem ondas sonoras, os pesquisadores as compararam ao toque de um sino.
“Isso é como tentar descobrir do que um sino é feito a partir do som que ele produz quando golpeado”, disse Isi.
Um grande sino de ferro, por exemplo, produz um som diferente de um pequeno sino de alumínio.
O que os pesquisadores aprenderam com base na frequência das ondas gravitacionais ofereceu validação para um princípio básico da compreensão científica dos buracos negros proposto por Hawking, que faleceu em 2018.
Hawking formulou a hipótese de que a área total da superfície dos buracos negros —especificamente a área da superfície do horizonte de eventos, o limite além do qual nada pode escapar— nunca deveria diminuir. Sua hipótese implica que a área da superfície do único buraco negro produzido em uma fusão deve exceder as áreas de superfície combinadas dos dois buracos negros que se fundiram.
Esta fusão atendeu a essa expectativa. Antes de colidirem, os buracos negros juntos tinham uma área total de superfície de cerca de 240 mil km quadrados. O único buraco negro produzido pela fusão tinha uma área de superfície de cerca de 400 mil km quadrados.
“Esta é a primeira vez que conseguimos fazer esta medição com tanta precisão, e é emocionante ter uma confirmação experimental direta de uma ideia tão importante sobre o comportamento dos buracos negros”, disse o astrofísico Will Farr da Universidade de Stony Brook e do Instituto Flatiron, um dos líderes do estudo.
As observações também forneceram a evidência mais direta até agora de que os buracos negros são os objetos paradoxalmente simples previstos na teoria da relatividade geral de Einstein, que sustenta que a gravidade resulta da curvatura do espaço-tempo causada pela massa e energia.
As descobertas validaram a simplicidade proposta por Einstein para os buracos negros —que eles podem ser totalmente compreendidos com base exclusivamente em sua massa e rotação— conforme elaborado pelo matemático Roy Kerr em 1963.
As medições de ondas gravitacionais foram obtidas em um tempo notavelmente curto. A astrofísica Katerina Chatziioannou do Caltech disse que os buracos negros foram observados espiralizando um em direção ao outro por cerca de 200 milissegundos, e o sinal do buraco negro fundido foi medido por cerca de 10 milissegundos.
