Cinco verdades surpreendentes sobre buracos negros do LIGO

Uma imagem estática de uma visualização dos buracos negros em fusão que o LIGO e o Virgo observaram até agora. À medida que os horizontes dos buracos negros espiralam e se fundem, as ondas gravitacionais emitidas tornam-se mais altas (maior amplitude) e mais agudas (mais altas em frequência). Os buracos negros que se fundem variam de 7,6 massas solares até 50,6 massas solares, com cerca de 5% da massa total perdida durante cada fusão. (COLABORAÇÃO TERESITA RAMIREZ/GEOFFREY LOVELACE/SXS/COLABORAÇÃO LIGO-VIRGO)

Com um total de 10 buracos negros detectados, o que aprendemos sobre o Universo é realmente incrível.


Em 14 de setembro de 2015, apenas alguns dias depois que o LIGO foi ativado pela primeira vez em sua sensibilidade nova e aprimorada, uma onda gravitacional passou pela Terra. Como os bilhões de ondas semelhantes que passaram pela Terra ao longo de sua história, esta foi gerada por uma inspiração, fusão e colisão de dois objetos massivos e ultradistantes de muito além de nossa própria galáxia. A mais de um bilhão de anos-luz de distância, dois buracos negros maciços se uniram e o sinal – movendo-se na velocidade da luz – finalmente chegou à Terra.



Mas desta vez, estávamos prontos. Os detectores gêmeos LIGO viram seus braços se expandirem e se contraírem em uma quantidade subatômica, mas isso foi suficiente para a luz do laser mudar e produzir uma mudança reveladora em um padrão de interferência. Pela primeira vez, detectamos uma onda gravitacional. Três anos depois, detectamos 11 deles, com 10 vindos de buracos negros . Aqui está o que aprendemos.



Os buracos negros binários de 30 massas solares observados pela primeira vez pelo LIGO são muito difíceis de se formar sem colapso direto. Agora que foi observado duas vezes, acredita-se que esses pares de buracos negros sejam bastante comuns. Mas a questão de saber se as fusões de buracos negros emitem emissões eletromagnéticas ainda não está resolvida. (LIGO, NSF, A. SIMONNET (SSU))

Houve duas execuções de dados do LIGO: uma primeira de 12 de setembro de 2015 a 19 de janeiro de 2016 e uma segunda, com sensibilidade um pouco melhor, de 30 de novembro de 2016 a 25 de agosto de 2017. Essa última execução foi, parcialmente através, acompanhado pelo detector VIRGO na Itália, que adicionou não apenas um terceiro detector, mas melhorou significativamente nossa capacidade de identificar a localização de onde essas ondas gravitacionais ocorreram. O LIGO está encerrado no momento, pois está passando por atualizações que o tornarão ainda mais sensível, enquanto se prepara para iniciar uma nova execução de observação de coleta de dados na primavera de 2019.



No dia 30 de novembro, a colaboração científica LIGO divulgou os resultados de sua análise aprimorada , que é sensível aos estágios finais de fusões entre objetos entre cerca de 1 e 100 massas solares.

Os 11 eventos de ondas gravitacionais detectados pelo LIGO e Virgo, com seus nomes, parâmetros de massa e outras informações essenciais codificadas em forma de tabela. Observe quantos eventos ocorreram no último mês da segunda execução: quando o LIGO e o Virgo estavam operando simultaneamente. (A COLABORAÇÃO CIENTÍFICA LIGO, A COLABORAÇÃO VIRGEM; ARXIV:1811.12907)

As 11 detecções que foram feitas até agora são mostradas acima, com 10 delas representando fusões buraco negro-buraco negro, e apenas GW170817 representando uma fusão estrela de nêutrons-estrela de nêutrons. Essas estrelas de nêutrons em fusão foram o evento mais próximo a meros 130-140 milhões de anos-luz de distância. A fusão mais massiva vista – GW170729 – chega até nós de um local que, com a expansão do Universo, está agora a 9 bilhões de anos-luz de distância.



Essas duas detecções também são as fusões de ondas gravitacionais mais leves e mais pesadas já detectadas, com GW170817 colidindo uma estrela de nêutrons de 1,46 e 1,27 massas solares, e GW170729 colidindo um buraco negro de 50,6 e 34,3 massas solares juntos.

Aqui estão as cinco verdades surpreendentes que aprendemos com todas essas detecções combinadas.

O LIGO, conforme projetado, deve ser sensível a buracos negros de uma determinada faixa de massa que se inspiram e se fundem: de 1 a algumas centenas de massas solares. O fato de que o que observamos parece estar limitado a 50 massas solares impõe restrições severas às taxas de fusão de buracos negros acima desse número. (NASA / DANA BERRY (SKYWORKS DIGITAL))



1.) Os maiores buracos negros em fusão são os mais fáceis de ver e não parecem ser maiores do que cerca de 50 massas solares . Uma das melhores coisas sobre procurar ondas gravitacionais é que é mais fácil vê-las de longe do que para uma fonte de luz. As estrelas parecem mais escuras em proporção à sua distância ao quadrado: uma estrela 10 vezes a distância é apenas um centésimo mais brilhante. Mas as ondas gravitacionais são mais fracas em proporção direta à distância: a fusão de buracos negros 10 vezes mais distantes produz 10% do sinal.

Como resultado, podemos ver objetos muito massivos a distâncias muito grandes e, no entanto, não vemos buracos negros se fundindo com 75, 100, 150 ou 200+ massas solares. 20 a 50 massas solares são comuns, mas ainda não vimos nada acima disso. Talvez os buracos negros que surgem de estrelas ultramassivas sejam realmente raros.



Vista aérea do detector de ondas gravitacionais Virgo, situado em Cascina, perto de Pisa (Itália). O Virgo é um interferômetro gigante a laser Michelson com braços de 3 km de comprimento e complementa os detectores gêmeos LIGO de 4 km. (NICOLA BALDOCCHI / COLABORAÇÃO VIRGEM)

2.) Adicionar um terceiro detector melhora nossa capacidade de identificar suas posições e aumenta significativamente a taxa de detecção . O LIGO funcionou por cerca de 4 meses durante sua primeira execução e 9 meses durante a segunda. No entanto, metade de suas detecções ocorreu no mês final: quando o VIRGO também estava sendo executado ao lado dele. Em 2017, foram detectados eventos de ondas gravitacionais em:

  • 29 de julho (buracos negros de massa solar de 50,6 e 34,3),
  • 9 de agosto (buracos negros de 35,2 e 23,8 massas solares),
  • 14 de agosto (buracos negros de 30,7 e 25,3 massas solares),
  • 17 de agosto (estrelas de nêutrons com massa solar de 1,46 e 1,27),
  • 18 de agosto (buracos negros de 35,5 e 26,8 massas solares), e
  • 23 de agosto (buracos negros de massa solar de 39,6 e 29,4).

Durante este último mês de observação, detectamos mais de um evento por semana . É possível que, à medida que nos tornamos sensíveis a distâncias maiores e sinais de menor amplitude e menor massa, possamos começar a ver até um evento por dia em 2019.

Eventos cataclísmicos ocorrem em toda a galáxia e em todo o Universo, de supernovas a buracos negros ativos, a fusão de estrelas de nêutrons e muito mais. Quando dois buracos negros se fundem, seu pico de brilho é suficiente, por alguns milissegundos, para ofuscar todas as estrelas do Universo observável combinadas. (J. WISE/GEORGIA INSTITUTE OF TECHNOLOGY E J. REGAN/DUBLIN CITY UNIVERSITY)

3.) Quando os buracos negros que detectamos colidem, eles liberam mais energia em seu pico do que todas as estrelas do Universo juntas . Nosso Sol é o padrão pelo qual passamos a entender todas as outras estrelas. Ele brilha tanto que sua produção total de energia – 4 × 10²⁶ W – é equivalente a converter quatro milhões de toneladas de matéria em energia pura a cada segundo que passa.

Com uma estimativa de ~10²³ de estrelas no Universo observável, a potência total de todas as estrelas brilhando no céu é maior que 10⁴⁹ W a qualquer momento: uma tremenda quantidade de energia espalhada por todo o espaço. Mas por alguns breves milissegundos durante o pico de uma fusão de buracos negros binários, cada um dos 10 eventos observados ofuscou, em termos de energia, todas as estrelas do Universo combinadas . (Embora seja por uma quantidade relativamente pequena.) Sem surpresa, a fusão mais massiva está no topo das paradas.

Mesmo que os buracos negros devam ter discos de acreção, não há nenhum sinal eletromagnético significativo esperado para ser gerado por uma fusão buraco negro-buraco negro. Sua energia é convertida em radiação gravitacional: ondulações no tecido do próprio espaço. Vemos essa radiação e é o evento mais energético que ocorre no Universo quando acontece. (AEI POTSDAM-GOLM)

4.) Cerca de 5% da massa total de ambos os buracos negros é convertida em energia pura, via Einstein E = mc² , durante essas fusões . As ondulações no espaço que essas fusões de buracos negros produzem precisam obter sua energia de algum lugar e, realisticamente, que tem que sair da massa dos próprios buracos negros em fusão. Em média, com base na magnitude dos sinais de ondas gravitacionais que vimos e nas distâncias reconstruídas até eles, os buracos negros perdem cerca de 5% de sua massa total – convertendo-a em energia de onda gravitacional – quando se fundem.

  • GW170608, a fusão de buracos negros de menor massa (de 10,9 e 7,6 massas solares), converteu 0,9 massas solares em energia.
  • GW150914, a primeira fusão de buracos negros (de 35,6 e 30,6 massas solares), converteu 3,1 massas solares em energia.
  • E GW170729, a fusão de buracos negros mais massiva (com 50,6 e 34,3 massas solares), converteu 4,8 massas solares em energia.

Esses eventos, criando ondulações no espaço-tempo, são os eventos mais energéticos que conhecemos desde o Big Bang. Eles produzem mais energia do que qualquer fusão de estrelas de nêutrons, explosão de raios gama ou supernova já criada.

Ilustrado aqui está a gama do Advanced LIGO e sua capacidade de detectar a fusão de buracos negros. A fusão de estrelas de nêutrons pode ter apenas um décimo do alcance e 0,1% do volume, mas pegamos uma, no ano passado, a apenas 130 milhões de anos-luz de distância. Buracos negros adicionais provavelmente estão presentes e se fundindo, e talvez a execução III do LIGO os encontre. (COLABORAÇÃO LIGO / AMBER STUVER / RICHARD POWELL / ATLAS DO UNIVERSO)

5.) Com tudo o que vimos até agora, esperamos que haja fusões de buracos negros de menor massa e mais frequentes apenas esperando para serem vistas . As fusões de buracos negros mais massivas produzem os sinais de maior amplitude e, portanto, são as mais fáceis de detectar. Mas com a forma como volume e distância estão relacionados, ir duas vezes mais distante significa abranger oito vezes o volume. À medida que o LIGO fica mais sensível, é mais fácil detectar objetos massivos a distâncias maiores do que objetos de baixa massa que estão próximos.

Sabemos que existem buracos negros de 7, 10, 15 e 20 massas solares por aí, mas é mais fácil para o LIGO identificar um mais massivo mais distante. Esperamos que existam binários de buracos negros com massas incompatíveis: onde um é muito mais massivo que o outro. À medida que nossas sensibilidades melhoram, esperamos que haja mais desses por aí, mas os mais massivos são mais fáceis de encontrar. Esperamos que os mais massivos dominem as primeiras pesquisas, assim como os Júpiteres quentes dominaram as primeiras pesquisas de exoplanetas. À medida que nos tornamos melhores em encontrá-los, espere que haja um número maior de buracos negros de menor massa por aí.

LIGO e Virgo descobriram uma nova população de buracos negros com massas maiores do que o que havia sido visto antes apenas com estudos de raios-X (roxo). Este gráfico mostra as massas de todas as dez fusões de buracos negros binários confiáveis ​​detectadas pelo LIGO/Virgo (azul). Também são mostradas estrelas de nêutrons com massas conhecidas (amarelo) e as massas componentes da fusão de estrelas de nêutrons binárias GW170817 (laranja). (LIGO/VIRGO/NORTHWESTERN UNIV./FRANK ELAVSKY)

Quando a primeira detecção de ondas gravitacionais foi anunciada, foi anunciada como o nascimento da astronomia de ondas gravitacionais. As pessoas compararam com quando Galileu apontou seu telescópio para os céus pela primeira vez, mas foi muito mais do que isso. Era como se nossa visão do céu de ondas gravitacionais sempre estivesse envolta em nuvens e, pela primeira vez, tivéssemos desenvolvido um dispositivo para ver através delas se tivéssemos uma fonte gravitacional brilhante o suficiente: buracos negros ou estrelas de nêutrons. O futuro da astronomia de ondas gravitacionais promete revolucionar nosso Universo, deixando-nos vê-lo de uma maneira totalmente nova. E esse futuro já chegou; estamos vendo os primeiros frutos do nosso trabalho .

Esta visualização mostra a coalescência de duas estrelas de nêutrons em órbita. O painel direito contém uma visualização da matéria das estrelas de nêutrons. O painel esquerdo mostra como o espaço-tempo é distorcido perto das colisões. Para buracos negros, não há sinal gerado por matéria, mas graças ao LIGO e Virgo, ainda podemos ver as ondas gravitacionais. (KARAN JANI/TECNOLOGIA GEÓRGIA)

À medida que nossa tecnologia melhora, ganhamos uma capacidade cada vez melhor de ver através dessas nuvens: ver fontes gravitacionais mais fracas, de menor massa e mais distantes. Quando o LIGO começar a coletar dados novamente em 2019, esperamos taxas maiores de fusão de ~30 buracos negros de massa solar, mas esperamos finalmente saber o que os buracos negros de menor massa estão fazendo. Esperamos ver fusões de estrelas de nêutrons e buracos negros. E esperamos ir ainda mais longe nos confins distantes do Universo.

Agora que chegamos aos dois dígitos para o número de eventos detectados, é hora de ir ainda mais longe. Com o LIGO e o VIRGO totalmente operacionais e com sensibilidades melhores do que nunca, estamos prontos para dar um passo adiante em nossa exploração do Universo de ondas gravitacionais. Esses remanescentes estelares maciços e em fusão foram apenas o começo. É hora de visitar o cemitério estelar e descobrir como os esqueletos realmente são.


Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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