O mais novo sinal do LIGO levanta uma grande questão: a fusão de buracos negros emite luz?
Existem muitos casos no Universo, como estrelas implodindo ou colisões de estrelas de nêutrons, que são fortemente suspeitos de criar explosões de energia eletromagnética de alta energia. As fusões de buracos negros não deveriam ser uma delas, mas os dados observacionais ainda podem nos surpreender. Crédito da imagem: NASA / Skyworks Digital.
Ondas gravitacionais e eletromagnéticas não precisam andar juntas. Mas a física diz que é possível; o que dizem as observações?
Os buracos negros colidem na escuridão completa. Nenhuma da energia que explode da colisão sai como luz. Nenhum telescópio jamais verá o evento.
– Janna Levin
Bilhões de anos atrás, dois buracos negros muito mais massivos que o Sol – 31 e 19 massas solares cada – fundiram-se em uma galáxia distante em todo o Universo. Em 4 de janeiro deste ano, essas ondas gravitacionais, viajando pelo Universo na velocidade da luz, finalmente chegaram à Terra, onde comprimiram e esticaram nosso planeta na largura de não mais que alguns átomos. No entanto, isso foi suficiente para os detectores gêmeos LIGO em Washington e Louisiana captarem o sinal e reconstruir exatamente o que aconteceu. Pela terceira vez, detectamos diretamente ondas gravitacionais. Enquanto isso, telescópios e observatórios em todo o mundo, inclusive em órbita ao redor da Terra, procuravam um sinal totalmente diferente: algum tipo de luz, ou radiação eletromagnética, que esses buracos negros em fusão poderiam ter produzido.
Ilustração de dois buracos negros se fundindo, de massa comparável ao que o LIGO viu. A expectativa é que deva haver muito pouco em termos de um sinal eletromagnético emitido por tal fusão, mas a presença de matéria fortemente aquecida em torno desses objetos pode mudar isso. Crédito da imagem: SXS, o projeto Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) (http://www.black-holes.org).
De acordo com nossos melhores modelos de física, a fusão de buracos negros não deve emitir nenhuma luz. Uma singularidade massiva cercada por um horizonte de eventos pode emitir ondas gravitacionais, devido à mudança na curvatura do espaço-tempo enquanto orbita uma inspiração com outra massa gigante, de acordo com as previsões da Relatividade Geral. Porque essa energia gravitacional, emitida como radiação, precisa vir de algum lugar, o buraco negro final pós-fusão é cerca de duas massas solares mais leve do que a soma dos originais que o criaram. Isso está completamente alinhado com as outras duas fusões observadas pelo LIGO: onde cerca de 5% das massas originais foram convertidas em energia pura, na forma de radiação gravitacional.
As massas de sistemas de buracos negros binários conhecidos, incluindo as três fusões verificadas e um candidato a fusão proveniente do LIGO. Crédito da imagem: LIGO/Caltech/Sonoma State (Aurore Simonnet).
Mas se houver algo fora desses buracos negros, como um disco de acreção, um firewall, uma casca dura, uma nuvem difusa ou qualquer outra possibilidade, a aceleração e o aquecimento desse material poderiam criar radiação eletromagnética viajando ao lado dessas ondas gravitacionais. . Após a primeira detecção do LIGO, o Fermi Gamma-ray Burst Monitor ganhou as manchetes como eles alegaram detectar uma explosão de alta energia de radiação coincidente dentro de um segundo do sinal da onda gravitacional. Infelizmente, o satélite Integral da ESA não só falhou em confirmar os resultados de Fermi, mas os cientistas que trabalham lá descobriram uma falha na análise de Fermi de seus dados , desacreditando completamente seus resultados.
Impressão artística de dois buracos negros em fusão, com discos de acreção. A densidade e a energia da matéria aqui devem ser insuficientes para criar raios gama ou explosões de raios X, mas você nunca sabe o que a natureza reserva. Crédito da imagem: NASA / Dana Berry (Skyworks Digital).
A segunda fusão não continha tais indícios de sinais eletromagnéticos, mas isso foi menos surpreendente: os buracos negros eram de massa significativamente menor, então seria esperado que qualquer sinal que surgisse deles fosse correspondentemente menor em magnitude. Mas a terceira fusão foi novamente grande em massa, mais comparável à primeira do que à segunda. Embora Fermi não tenha feito nenhum anúncio, e Integral novamente relata uma não detecção , há duas evidências que sugerem que pode ter havido uma contraparte eletromagnética, afinal. O satélite AGILE da Agência Espacial Italiana detectou um evento fraco e de curta duração que ocorreu apenas meio segundo antes da fusão LIGO , enquanto observações de raios-X, rádio e ópticas combinadas para identificar um estranho brilho menos de 24 horas após a fusão .
O buraco negro supermassivo da nossa galáxia testemunhou algumas explosões incrivelmente brilhantes, mas nenhuma tão brilhante ou duradoura quanto XJ1500 + 0134. Esses eventos transitórios e pós-brilho ocorrem por algum tempo, mas se estiverem associados a uma fusão gravitacional, você esperaria que o tempo de chegada dos sinais de ondas eletromagnéticas e gravitacionais fosse simultâneo. Crédito da imagem: NASA/CXC/Stanford/I. Zhuravleva et ai.
Se qualquer um deles estivesse conectado à fusão do buraco negro, seria absolutamente revolucionário. Atualmente, sabemos muito pouco sobre buracos negros em geral, muito menos sobre a fusão de buracos negros. Nós nunca fizemos uma imagem direta antes, embora o Event Horizon Telescope espera capturar o primeiro ainda este ano. Apenas este ano determinamos que buracos negros não têm conchas duras circundando o horizonte de eventos , e mesmo essa evidência é apenas estatística. Então, quando se trata da possibilidade de que os buracos negros possam ter uma contraparte eletromagnética, é importante manter a mente aberta, olhar e ir onde quer que os dados nos levem.
Quasares distantes e massivos mostram buracos negros ultramassivos em seus núcleos, e suas contrapartes eletromagnéticas são fáceis de detectar. Mas resta saber se a fusão de buracos negros, particularmente dessas fusões de massa inferior (abaixo de 100 sóis), emite algo detectável. Crédito da imagem: J. Wise/Georgia Institute of Technology e J. Regan/Dublin City University.
Infelizmente, nenhuma dessas observações fornece os dados necessários para nos levar a um lugar onde concluiríamos que a fusão de buracos negros realmente tem uma contrapartida emissora de luz. É muito difícil obter evidências convincentes em primeiro lugar, já que mesmo os detectores gêmeos LIGO, operando com sua incrível precisão, não conseguem identificar a localização de um sinal de onda gravitacional com melhor precisão do que uma constelação ou três. Como as ondas gravitacionais e as ondas eletromagnéticas viajam na velocidade da luz, é extremamente improvável que haja um atraso de quase 24 horas entre um sinal de onda gravitacional e um sinal eletromagnético; além disso, esse evento transitório parece ocorrer à distância muito grande para ser associado ao evento de onda gravitacional .
O campo de visão observacional do observatório AGILE durante o momento das observações do LIGO (em cores), com a possível localização da fonte da onda gravitacional mostrada nos contornos magenta.
Mas as observações AGILE podem fornecer uma dica de que algo interessante está acontecendo. No momento em que ocorreu o evento de onda gravitacional, o AGILE foi apontado para uma região do espaço que contém 36% da região candidata do LIGO. E eles alegam um excesso de fótons de raios-X detectados vindos de algum lugar no céu sobre o fundo padrão médio. Mas quando você analisa os dados, você deve se perguntar: quão atraente é isso?
Três figuras críticas, mostrando os dados brutos do suposto “sinal” junto com o fundo das emissões de raios-X observadas pelo satélite AGILE, da publicação recentemente submetida, AGILE Observations of the Gravitational Wave Source GW170104.
Alguns segundos antes e depois da fusão do LIGO, eles conseguiram um evento interessante que eles identificaram como E2 em os três gráficos acima . Depois de fazer uma análise completa, onde eles explicam o que viram e que tipo de flutuações aleatórias e origens ocorrem naturalmente, eles podem concluir que há cerca de 99,9% de chance de que algo interessante tenha acontecido. Em outras palavras, que eles viram um sinal real de algo, em vez de uma flutuação aleatória. Afinal, o Universo está cheio de objetos que emitem raios gama e raios X, e é disso que é feito o fundo. Mas estaria relacionado à fusão gravitacional desses dois buracos negros?
Simulação computacional de dois buracos negros em fusão produzindo ondas gravitacionais. A grande pergunta não respondida é se haverá algum tipo de contraparte eletromagnética e leve para este sinal? Crédito da imagem: Werner Benger, cc by-sa 4.0.
Se fosse, você esperaria que outros satélites o vissem. O melhor que podemos concluir, até agora, é que, se os buracos negros têm uma contraparte eletromagnética, é uma que é:
- incrivelmente fraco,
- que ocorre principalmente em energias mais baixas,
- que não tem um componente óptico brilhante ou rádio ou raios gama,
- e isso ocorre com um deslocamento para a emissão real de ondas gravitacionais.
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 da emissão eletromagnética dessas fusões ainda não está resolvida. Crédito da imagem: LIGO, NSF, A. Simonnet (SSU).
Além disso, tudo o que vemos é perfeitamente consistente – e sem dúvida, mais consistente – com a noção de que a fusão de buracos negros não possui nenhuma contraparte eletromagnética. Mas a verdade sobre tudo isso é que ainda não temos dados suficientes para decidir. Com mais detectores de ondas gravitacionais, mais fusões de buracos negros de grandes massas, melhor identificação da localização e melhor cobertura de eventos transitórios em todo o céu, podemos descobrir a resposta para isso. Se as missões e observatórios propostos para coletar esses dados forem construídos, operados e (quando necessário) lançados com sucesso, daqui a 15 anos, podemos esperar saber a resposta científica com certeza.
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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