Em 2017, uma onda gravitacional ecoou pela Terra como o tom claro de um sino. Esticou e esmagou todas as pessoas, formigas e instrumentos científicos do planeta ao passar por nossa região do espaço. Agora, os pesquisadores voltaram a estudar essa onda e encontraram nela dados ocultos - dados que ajudam a confirmar uma ideia astrofísica de décadas.
Essa onda de 2017 foi um grande negócio: pela primeira vez, os astrônomos tinham uma ferramenta que poderia detectá-la e registrá-la à medida que passava, conhecida como Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser (LIGO). Eles descobriram que a primeira onda foi o resultado de dois buracos negros colidindo muito longe no espaço. E agora, uma equipe de astrofísicos examinou novamente a gravação e descobriu algo que outros achavam que levaria décadas para descobrir: confirmação precisa do "teorema do cabelo". Esse aspecto essencial da teoria dos buracos negros remonta pelo menos à década de 1970 - um teorema que Stephen Hawking duvidava.
Quando os físicos dizem que os buracos negros não têm "cabelo", disse Maximiliano Isi, físico do MIT e principal autor do artigo, eles querem dizer que os objetos astrofísicos são muito simples. Os buracos negros diferem apenas entre si de três maneiras: taxa de rotação, massa e carga elétrica. E no mundo real, os buracos negros provavelmente não diferem muito na carga elétrica, então realmente diferem apenas em termos de massa e rotação. Os físicos chamam esses objetos carecas de "buracos negros de Kerr".
Essa falta de cabelo torna os buracos negros muito diferentes de quase todos os outros objetos do universo, disse Isi à Live Science. Quando um sino real toca, por exemplo, emite ondas sonoras e algumas ondas gravitacionais incrivelmente indetectáveis. Mas é um objeto muito mais complicado. Um sino é feito de um material, por exemplo (bronze talvez, ou ferro fundido), enquanto que, de acordo com o modelo sem pelos, os buracos negros são todos singularidades uniformes. Cada sino também tem uma forma um tanto singular, enquanto os buracos negros são todos pontos infinitesimais e sem dimensão no espaço, cercados por horizontes de eventos esféricos. Todos esses recursos de um sino podem ser detectados no som que um sino produz - pelo menos se você souber algo sobre sinos e ondas sonoras. Se você pudesse, de alguma forma, sentir as ondas gravitacionais de um sino, também detectaria essas diferenças na composição e na forma do sino, disse Isi.
"O segredo de todo esse negócio é que a forma de onda - o padrão desse alongamento e compressão - codifica informações sobre a fonte, o que causou essa onda gravitacional", disse ele à Live Science.
E os astrônomos que estudam a onda de 2017 aprenderam muito sobre a colisão do buraco negro que a gerou, disse Isi.
Mas a gravação foi fraca e não muito detalhada. O LIGO, o melhor detector de ondas gravitacionais do mundo, usou um laser para medir as distâncias entre espelhos dispostos 2,5 milhas (4 quilômetros) de distância em um padrão L no estado de Washington. (Virgo, um detector semelhante, também captou a onda na Itália.) Quando a onda rolou sobre o LIGO, ela distorceu o próprio espaço-tempo e mudou ligeiramente essa distância. Mas os detalhes dessa onda gravitacional não eram intensos o suficiente para os detectores registrarem, disse Isi.
"Mas é como se estivéssemos ouvindo de muito longe", disse Isi.
Naquela época, essa onda oferecia muita informação. O buraco negro se comportou como esperado. Não há evidências óbvias de que ele não tenha um horizonte de eventos (a região além da qual a luz não pode escapar) e não se desvie drasticamente do teorema dos cabelos, disse Isi.
Mas os pesquisadores não podiam ter muita certeza de muitos desses pontos, particularmente do teorema sem pêlos. A parte mais simples da forma de onda para estudar, disse Isi, veio depois que os dois buracos negros se fundiram em um buraco negro maior. Ele continuou tocando por um tempo, muito parecido com um sino, enviando seu excesso de energia ao espaço como ondas gravitacionais - o que os astrofísicos chamam de processo de "aterrissagem".
Na época, os pesquisadores que analisavam os dados do LIGO detectaram apenas uma forma de onda no ringdown. Os pesquisadores pensaram que levaria décadas para desenvolver instrumentos sensíveis o suficiente para captar qualquer tom mais baixo no ringdown. Mas um dos colegas de Isi, Matt Giesler, físico do Instituto de Tecnologia da Califórnia, descobriu que houve um breve período logo após a colisão, onde a aterrissagem foi intensa o suficiente para que o LIGO registrasse mais detalhes do que o habitual. E, nesses momentos, a onda estava alta o suficiente para que o LIGO captasse um som harmônico - uma segunda onda em uma frequência diferente, muito parecida com as notas secundárias fracas que são carregadas no som de um sino tocado.
Nos instrumentos musicais, as conotações carregam a maioria das informações que dão aos instrumentos sons distintos. O mesmo vale para as conotações de uma onda gravitacional, disse ele. E esse tom sobrado descoberto esclareceu bastante os dados do buraco negro, disse Isi.
Ele mostrou, disse ele, que o buraco negro estava pelo menos muito próximo de um buraco negro de Kerr. O teorema de no-hair pode ser usado para prever como será o overtone; Isi e sua equipe mostraram que o overtone praticamente correspondia a essa previsão. No entanto, a gravação do overtone não era muito clara, por isso ainda é possível que o tom fosse um pouco diferente - em cerca de 10% - do que o teorema poderia prever ...
Para ir além desse nível de precisão, ele disse, você precisará extrair um tom mais claro da forma de onda de uma colisão de um buraco negro ou construir um instrumento mais sensível que o LIGO, disse Isi.
"Física é aproximar-se cada vez mais", disse Isi. "Mas você nunca pode ter certeza."
É até possível que o sinal do overtone não seja real, mas tenha ocorrido por mero acaso devido a flutuações aleatórias dos dados. Eles relataram uma "confiança de 3,6σ" na existência do overtone. Isso significa que há uma chance de 1 em 6.300 de que o overtone não seja um sinal verdadeiro do buraco negro.
À medida que os instrumentos melhoram e mais ondas gravitacionais são detectadas, todos esses números devem se tornar mais confiantes e precisos, disse Isi. O LIGO já passou por atualizações que tornaram a detecção de colisões de buracos negros bastante rotineira. Outra atualização, planejada para meados de 2020, deve aumentar sua sensibilidade em dez vezes, de acordo com o Physics World. Depois que a Antena Espacial a Laser (LISA) baseada no espaço for lançada em meados da década de 2030, os astrônomos deverão poder confirmar a ausência de pêlos dos buracos negros em graus de certeza impossíveis hoje.
No entanto, Isi disse, é sempre possível que os buracos negros não sejam completamente carecas - eles podem ter um pouco de penugem quântica de pêssego que é simples demais e curta demais para nossos instrumentos captarem.
