31/01/2022
Astronomia, Astrofísica e Cosmologia, Imagens
Astrônomos Conseguem Desvendar Mistérios da Rotação de Buracos Negros Em Sistemas Binários
Pesquisas realizadas na Universidade de Cornell descobriram a partir de dados de ondas gravitacionais os primeiros sinais potenciais de ressonâncias de órbita giratória em buracos negros binários, um passo para entender os mecanismos das supernovas e outras grandes questões da astrofísica.
“Essas ressonâncias foram previstas há mais de uma década usando a teoria da relatividade geral de Einstein”, disse o astrofísico Vijay Varma. Ex-bolsista de pós-doutorado da Klarman na Faculdade de Artes e Ciências (A&S), Varma analisa ondas gravitacionais detectadas pelo Observatório de ondas gravitacionais do interferômetro a laser (LIGO) e pelo detector de ondas gravitacionais VIRGO para aprender mais sobre buracos negros binários. “Encontramos as primeiras ‘dicas’ das ressonâncias nos dados de ondas gravitacionais do LIGO e VIRGO.”
A taxa em que um buraco negro gira revela muito sobre sua história, Varma disse: Para buracos negros dispostos em um par interativo, chamado binário, a direção de cada buraco negro girar também é revelador, especialmente um em relação ao outro.
No artigo, Varma e colaboradores relatam que o giro dos dois buracos negros, quando projetadas no plano orbital, tendem a ser antiparalelos uns aos outros, o que pode ser uma assinatura da ressonância da rotação da órbita. São necessárias mais observações para confirmar essas tendências, disse Varma.
Os efeitos da ressonância são onipresentes nos sistemas físicos. Eles ocorrem quando dois processos em um sistema ocorrem em frequências especialmente relacionadas. Nos sistemas de buracos negros estudados, prevê-se que a ressonância ocorra entre o movimento de rotação dos buracos negros e seu movimento orbital, e deixa uma marca nas ondas gravitacionais produzidas. Este trabalho mostra que, se analisarmos os dados de maneira inteligente, estaremos muito mais próximos de testar essa previsão da Relatividade Geral do que pensávamos.
Os buracos negros geralmente giram, têm um spin, porque se formam a partir de estrelas moribundas que giram, disse Varma. Quando dois desses buracos negros orbitam um ao outro em um sistema binário, seus giros interagem com a órbita.
Buracos negros binários perdem energia para ondas gravitacionais, fazendo com que os buracos negros se movam um em direção ao outro e eventualmente se fundam, disse Varma. Algumas rotações de buracos negros binários estão alinhadas ao longo ou opostas ao momento angular orbital, levando a uma “branda” fusão num plano fixo. Mas outros buracos negros binários têm rotações inclinadas em relação ao momento angular orbital, desencadeando uma interação complexa chamada precessão.
“Quando as rotações são inclinadas em relação ao momento angular orbital, a órbita se precessa como um topo que gira ao longo de um eixo inclinado”, disse Varma.
As ressonâncias de órbita de rotação podem ocorrer em binários de precessão, mas isso depende da natureza do mecanismo de supernova que produz os buracos negros de seus progenitores estelares, disse Varma. Se a emissão de supernova não for simétrica em todas as direções, o buraco negro obtém uma velocidade de recuo no nascimento, que é semelhante ao recuo de uma arma disparada.
“Se os recuos da supernova forem grandes o suficiente, o binário poderá acabar em ressonância de rotação de órbita”, disse Varma. “Estas são configurações especiais em que as direções de rotação no plano orbital são paralelas ou antiparalelas.”
Pensa-se que os detectores de ondas gravitacionais LIGO e VIRGO não eram sensíveis o suficiente para captar evidências de ressonâncias de rotação de órbita. No entanto, Varma e colaboradores aplicaram dois hacks de coleta de dados para detectar essas primeiras dicas.
Primeiro, a Varma aplicou a modelagem computacional com base em simulações de buracos negros.
“Vijay é um especialista mundial no desenvolvimento do que é chamado de ‘modelos substitutos'”, disse Teukolsky em entrevista a 2020.
Varma disse: “Esses modelos capturam com precisão o efeito das rotações das simulações numéricas. Eles nos permitem extrair o máximo possível dessas informações das observações das ondas gravitacionais.”
Segundo, os pesquisadores aprenderam a medir as rotações pouco antes dos buracos negros se fundirem, em vez da prática padrão de medir rotações muitas órbitas antes da fusão. Esse método de medição de rotação tardia é o tópico de um artigo complementar, “Medindo a orientação de rotação do plano orbital do buraco negro”, publicado em 19 de janeiro na revista Physical Review D.
“Estamos começando a sondar as ressonâncias de rotação de órbita, que originalmente pensávamos serem impossíveis até os detectores da próxima geração chegarem na década de 2030”, disse Varma. “Nossa esperança é que, estudando essas ressonâncias na rotação de órbita, podemos aprender mais sobre o mecanismo da supernova, que permaneceu um mistério duradouro.
