As medições atuais de buracos negros não são suficientes para definir como os gigantes invisíveis se formam no universo, dizem os pesquisadores — ScienceDaily

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Pistas das origens de um buraco negro podem ser encontradas na maneira como ele gira. Isso é especialmente verdadeiro para binários, nos quais dois buracos negros circulam juntos antes de se fundirem. A rotação e a inclinação dos respectivos buracos negros pouco antes de se fundirem podem revelar se os gigantes invisíveis surgiram de um disco galáctico silencioso ou de um aglomerado de estrelas mais dinâmico.

Os astrônomos esperam descobrir qual dessas histórias de origem é mais provável, analisando os 69 binários confirmados detectados até o momento. Mas um novo estudo descobriu que, por enquanto, o catálogo atual de binários não é suficiente para revelar nada fundamental sobre como os buracos negros se formam.

Em um estudo publicado na revista Cartas de Astronomia e Astrofísica, Os físicos do MIT mostram que quando todos os binários conhecidos e seus spins são trabalhados em modelos de formação de buracos negros, as conclusões podem parecer muito diferentes, dependendo do modelo particular usado para interpretar os dados.

As origens de um buraco negro podem, portanto, ser “giradas” de maneiras diferentes, dependendo das suposições de um modelo de como o universo funciona.

“Quando você muda o modelo e o torna mais flexível ou faz suposições diferentes, obtém uma resposta diferente sobre como os buracos negros se formaram no universo”, diz a coautora do estudo Sylvia Biscoveanu, estudante de pós-graduação do MIT que trabalha no Laboratório LIGO. “Mostramos que as pessoas precisam ter cuidado porque ainda não estamos no estágio com nossos dados em que podemos acreditar no que o modelo nos diz”.

Os co-autores do estudo incluem Colm Talbot, pós-doutorado do MIT; e Salvatore Vitale, professor associado de física e membro do Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT.

Um conto de duas origens

Acredita-se que os buracos negros em sistemas binários surjam por meio de um dos dois caminhos. A primeira é através da “evolução binária de campo”, na qual duas estrelas evoluem juntas e eventualmente explodem em supernovas, deixando para trás dois buracos negros que continuam circulando em um sistema binário. Nesse cenário, os buracos negros deveriam ter rotações relativamente alinhadas, pois teriam tempo – primeiro como estrelas, depois como buracos negros – para se puxar e puxar uns aos outros em orientações semelhantes. Se os buracos negros de um binário têm aproximadamente a mesma rotação, os cientistas acreditam que devem ter evoluído em um ambiente relativamente silencioso, como um disco galáctico.

Binários de buracos negros também podem se formar por meio de “montagem dinâmica”, onde dois buracos negros evoluem separadamente, cada um com sua própria inclinação e rotação distintas. Por alguns processos astrofísicos extremos, os buracos negros são eventualmente reunidos, próximos o suficiente para formar um sistema binário. Tal emparelhamento dinâmico provavelmente ocorreria não em um disco galáctico silencioso, mas em um ambiente mais denso, como um aglomerado globular, onde a interação de milhares de estrelas pode juntar dois buracos negros. Se os buracos negros de um binário tiverem rotações orientadas aleatoriamente, eles provavelmente se formaram em um aglomerado globular.

Mas que fração de binários se forma através de um canal versus o outro? A resposta, acreditam os astrônomos, deve estar nos dados e, particularmente, nas medições dos giros dos buracos negros.

Até o momento, os astrônomos derivaram as rotações de buracos negros em 69 binários, que foram descobertos por uma rede de detectores de ondas gravitacionais, incluindo o LIGO nos EUA e seu equivalente italiano Virgo. Cada detector detecta sinais de ondas gravitacionais – reverberações muito sutis através do espaço-tempo que são remanescentes de eventos astrofísicos extremos, como a fusão de buracos negros maciços.

A cada detecção binária, os astrônomos estimam as respectivas propriedades do buraco negro, incluindo sua massa e rotação. Eles trabalharam as medições de rotação em um modelo geralmente aceito de formação de buracos negros e encontraram sinais de que os binários podem ter uma rotação alinhada e preferida, bem como rotações aleatórias. Ou seja, o universo poderia produzir binários tanto em discos galácticos quanto em aglomerados globulares.

“Mas queríamos saber se temos dados suficientes para fazer essa distinção?” diz Biscoveanu. “E acontece que as coisas estão confusas e incertas, e é mais difícil do que parece.”

Girando os dados

Em seu novo estudo, a equipe do MIT testou se os mesmos dados produziriam as mesmas conclusões quando trabalhados em modelos teóricos ligeiramente diferentes de como os buracos negros se formam.

A equipe primeiro reproduziu as medições de rotação do LIGO em um modelo amplamente utilizado de formação de buracos negros. Este modelo assume que uma fração dos binários no universo prefere produzir buracos negros com spins alinhados, onde o restante dos binários tem spins aleatórios. Eles descobriram que os dados pareciam concordar com as suposições deste modelo e mostraram um pico onde o modelo previu que deveria haver mais buracos negros com rotações semelhantes.

Eles então ajustaram ligeiramente o modelo, alterando suas suposições de forma que ele previu uma orientação ligeiramente diferente das rotações preferidas dos buracos negros. Quando trabalharam com os mesmos dados neste modelo ajustado, descobriram que os dados mudaram para se alinhar com as novas previsões. Os dados também fizeram mudanças semelhantes em 10 outros modelos, cada um com uma suposição diferente de como os buracos negros preferem girar.

“Nosso artigo mostra que seu resultado depende inteiramente de como você modela sua astrofísica, e não dos dados em si”, diz Biscoveanu.

“Precisamos de mais dados do que pensávamos, se quisermos fazer uma afirmação independente das suposições astrofísicas que fazemos”, acrescenta Vitale.

De quantos dados a mais os astrônomos precisarão? Vitale estima que assim que a rede LIGO for reiniciada no início de 2023, os instrumentos detectarão um novo binário de buraco negro a cada poucos dias. No próximo ano, isso pode adicionar centenas de medições a mais para adicionar aos dados.

“As medições dos giros que temos agora são muito incertas”, diz Vitale. “Mas à medida que construímos muitos deles, podemos obter melhores informações. Então podemos dizer, não importa o detalhe do meu modelo, os dados sempre me contam a mesma história – uma história em que poderíamos acreditar.”

Esta pesquisa foi apoiada em parte pela National Science Foundation.



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