Buracos negros colidindo 'ressoando' através do espaço e do tempo provam que as teorias de Hawking e Einstein estão certas

Mais uma vez, o renomado físico teórico Stephen Hawking estava certo. Ah, e Albert Einstein também.

Cientistas do Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser (LIGO) da Fundação Nacional de Ciências dos EUA detectaram uma onda gravitacional, uma ondulação no espaço-tempo causada por processos extremamente energéticos, como a fusão de dois buracos negros ou a colisão de duas estrelas de nêutrons densas.

Acontece que a onda gravitacional ocorreu devido a dois buracos negros a aproximadamente 1,3 bilhão de anos-luz de distância da Terra, com massas aproximadamente 30 vezes maiores que a do nosso Sol, colidindo e formando outro buraco negro, com a designação GW250114.

Isso não é incomum para os detectores LIGO , um localizado em Hanford, Washington, e o outro em Livingston, Louisiana, que encontraram cerca de 300 dessas interações violentas. Mas, desta vez, os pesquisadores conseguiram aprender muito mais do que antes.

Previsões

A fusão desses buracos negros em particular criou o que os cientistas chamam de "zumbido", que produziu dois tons diferentes, permitindo aos pesquisadores confirmar que um buraco negro pode ser definido usando apenas duas propriedades: massa e spin, algo que foi previsto pelo matemático Roy Kerr em 1963.

"Uma das qualidades previstas, exclusivas de um buraco negro, é que... é como se você tocasse um diapasão, ele soaria em frequências específicas, e elas teriam um espaçamento específico", disse Jess McIver, uma das coautoras do estudo, que também é professora associada na Universidade da Colúmbia Britânica.

"É como uma espécie de impressão digital de um buraco negro. Então, como esse sinal era tão alto, tão lindo e intenso, conseguimos resolvê-los com muita nitidez."

Max Isi, professor assistente na Universidade de Columbia e também coautor do estudo, publicado na revista Physical Review Letters , explicou melhor.

"Existem dois modos individuais de oscilações, dois tons: um tom fundamental e um sobretom", disse ele.

Como os tons coincidiam, ele afirma, isso comprova a solução de Kerr. Se os tons fossem diferentes, isso implicaria que outras propriedades são necessárias para descrever um buraco negro.

Isso provou que tanto Kerr quanto Einstein estavam certos em suas previsões para buracos negros. A teoria da relatividade geral de Einstein previu a existência de buracos negros. E, no caso de Kerr, seus cálculos se concentraram especificamente em buracos negros em rotação.

O teorema da área de Hawking

A fusão também confirmou o teorema da área de Hawking, que afirma que quando dois buracos negros se fundem, o horizonte de eventos — ou a área ao redor do buraco negro da qual nenhuma luz ou radiação pode escapar — nunca pode diminuir, apenas aumentar.

Após a fusão dos dois buracos negros, os cientistas puderam usar o anel para determinar o tamanho final do horizonte de eventos — considerando também a área da superfície do buraco negro. Antes da fusão, cada buraco negro tinha uma área de superfície de aproximadamente 240.000 quilômetros quadrados. Depois disso, o novo buraco negro passou a ter uma área de superfície de 400.000 quilômetros quadrados, provando que Hawking estava certo.

"Imagino que, para Hawking, buracos negros, espaço e tempo tenham sido estudados como abstrações matemáticas teóricas por décadas. E, finalmente, poder ver esses processos acontecendo, sabe, é impressionante", disse Isi.

"Quer dizer, é espantoso para mim, e não consigo imaginar para ele, sabe, tendo trabalhado a vida toda nisso. Então é uma pena que não pudemos fazer isso enquanto ele estava vivo."

Agora, enquanto a área da superfície aumentou, a massa do buraco negro na verdade diminuiu, o que é o que a teoria sugere que deveria acontecer.

"A área do horizonte de eventos só pode crescer", disse Janna Levin, astrofísica teórica e professora de física e astronomia no Barnard College da Universidade de Columbia, que não estava envolvida na pesquisa.

"E se eu estivesse pensando nisso como um buraco negro original absorvendo outro, ele só poderia crescer, mas sua massa não é a soma das duas massas. Na verdade, é menor. Ele perde parte daquela energia E=MC² para as ondas gravitacionais."

Cada buraco negro tinha aproximadamente 33 vezes a massa do Sol. Após a fusão, o buraco negro passou a ter uma massa 63 vezes maior que a do Sol.

Muito longe, mas muito alto

Uma análise semelhante de uma fusão de buracos negros quase idêntica — a primeira foi detectada em 2015 — foi feita em 2021. No entanto, ela não produziu as mesmas evidências fortes que esta nova análise produziu.

Isi explicou que, como o sinal daquele buraco negro era mais fraco, os cientistas ainda estavam na dúvida, mas que o sinal da fusão recente era quatro vezes mais forte.

"Você pode ver aquele artigo de 2021 como uma demonstração de que algo assim seria possível, como uma prova de princípio", disse ele, acrescentando que essa fusão era uma evidência "real e incontestável" disso.

A detecção de uma onda gravitacional em 2015 rendeu aos pesquisadores o Prêmio Nobel de Física em 2017, como parte da colaboração LIGO-VIRGO. Atualmente, existem mais observatórios detectando ondas gravitacionais, incluindo um no Japão, que compõem a colaboração LIGO-VIRGO-KAGRA.

Tanto McIver quanto Isi estão animados com as futuras melhorias nos detectores que os ajudarão a descobrir.

McIver diz que não importa quantas vezes os cientistas "dividam e analisem esses dados de maneiras diferentes" para verificar o sinal em relação ao que Einstein, Kerr e Hawking previram, a resposta é que eles estavam certos.

"À medida que os detectores continuarem a melhorar, nossa confiança aumentará ou, potencialmente, descobriremos algo realmente interessante que não esperávamos."