Bilhões de anos atrás, dois buracos negros muito mais massivos do que o Sol - 31 e 19 massas solares cada - se fundiram em uma galáxia distante. Em 4 de janeiro de 2017, essas ondas gravitacionais, viajando pelo Universo à velocidade da luz, finalmente chegaram à Terra, onde comprimiram e estenderam nosso planeta em vários átomos. Isso foi o suficiente para os dois detectores LIGO em Washington DC e Louisiana captarem o sinal e reconstruírem exatamente o que aconteceu. Pela terceira vez na história, observamos diretamente as ondas gravitacionais. Enquanto isso, telescópios e observatórios ao redor do mundo, incluindo aqueles na órbita da Terra, estavam procurando por um sinal completamente diferente: algo como luz ou radiação eletromagnética que esses buracos negros em fusão poderiam emitir.
Uma ilustração de dois buracos negros se fundindo de massa comparável àqueles vistos no LIGO. Espera-se que tal fusão produza muito poucos sinais eletromagnéticos, mas a presença de uma substância altamente aquecida perto de tais objetos pode mudar isso.
De acordo com nossos melhores modelos físicos, buracos negros em fusão não deveriam emitir luz alguma. Uma massiva singularidade cercada por um horizonte de eventos pode emitir ondas gravitacionais devido à mudança da curvatura do espaço-tempo, conforme gira em torno de outra massa gigante, e a relatividade geral implica isso. Como a energia gravitacional na forma de radiação deve vir de algum lugar, o buraco negro final após a fusão será várias massas solares mais leve do que a soma das fontes que o geraram. Isso é completamente consistente com duas outras fusões que o LIGO observou: 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 três fusões LIGO confirmadas e um candidato a fusão
Mas se houver algo fora desses buracos negros, como um disco de acreção, firewall, casca dura, nuvem difusa ou qualquer outra coisa, a aceleração e o aquecimento desse material podem criar radiação eletromagnética que viaja junto com nossas ondas gravitacionais. Após a primeira detecção LIGO, o Fermi Gamma-ray Burst Monitor afirmou que havia detectado uma explosão de alta energia coincidindo com o tempo do sinal da onda gravitacional. Infelizmente, o satélite ESA não só falhou em confirmar os resultados de Fermi, mas os cientistas que trabalhavam lá descobriram uma falha na análise de Fermi de seus dados, desacreditando completamente seus resultados.
Fusão de dois buracos negros através dos olhos de um artista, com um disco de acreção. A densidade e a energia da matéria não deveriam ser suficientes aqui para criar raios gama ou rajadas de raios X, mas quem sabe do que a natureza é capaz.
A segunda fusão não mostrou tais indícios de sinais eletromagnéticos, mas isso não é surpreendente: os buracos negros eram significativamente mais leves em massa, então qualquer sinal que eles gerassem seria correspondentemente menor em magnitude. Mas a terceira fusão também foi grande em massa, mais comparável à primeira do que à segunda. Embora Fermi não tenha dito nada e o satélite Integral da ESA também tenha permanecido em silêncio, houve dois indícios de que a radiação eletromagnética pode ter ocorrido. O satélite AGILE da Agência Espacial Italiana registrou uma chama tênue e de curta duração que ocorreu meio segundo antes da fusão no LIGO, e as observações de raios-X, rádio e óptica combinadas foram identificadas de forma estranha.
Se algo disso pudesse ser atribuído à fusão de buracos negros, seria completamente incrível. Sabemos tão pouco sobre buracos negros em geral, o que podemos dizer sobre os que se fundem. Nunca os vimos com nossos próprios olhos, embora o Event Horizon Telescope vá tirar uma foto antes do final deste ano. Descobrimos apenas este ano que os buracos negros não possuem conchas rígidas em torno do horizonte de eventos, mas esse fato também foi estatístico. Portanto, quando se trata da possibilidade de que os buracos negros possam ter vazamentos eletromagnéticos, vale a pena manter a mente aberta.
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Quasares maciços e distantes exibem buracos negros supermassivos em seus núcleos e seus vazamentos eletromagnéticos são fáceis de detectar. Mas ainda não vimos buracos negros em fusão (especialmente aqueles com massa baixa, menos de 100 sóis) emitirem nada que possa ser detectado.
Infelizmente, nenhuma dessas observações fornece os dados necessários para nos levar a concluir que a fusão de buracos negros pode emitir qualquer coisa no espectro eletromagnético. Em geral, é bastante difícil obter evidências convincentes, uma vez que mesmo os detectores gêmeos LIGO, trabalhando com incrível precisão, não podem apontar a localização do sinal da onda gravitacional com mais precisão do que até uma constelação ou três. Como as ondas gravitacionais e as ondas eletromagnéticas viajam à velocidade da luz, é extremamente improvável que haja um atraso de quase 24 horas entre as duas. Além disso, o evento transiente ocorre a uma distância que não permite que seja associado a uma onda gravitacional.
A área de observação do observatório AGILE no momento das observações do LIGO com a possível localização da fonte da onda gravitacional mostrada nos contornos roxos
As observações do AGILE podem sugerir que algo interessante está acontecendo. No momento em que o evento de onda gravitacional foi detectado, o AGILE foi direcionado para uma área do espaço que contém 36% da área de estudo do LIGO. De acordo com os cientistas, "o excesso de fótons de raios X detectados" apareceu em algum lugar acima da média normal de fundo. Mas, olhando para os dados, a primeira pergunta que os cientistas fazem é: quão convincentes eles são?
Segundos antes da fusão do LIGO, eles retiraram um evento interessante, rotulado como E2 nos três gráficos acima. Depois de uma análise minuciosa em que correlacionaram o que vêem e que tipo de flutuações aleatórias podem ocorrer naturalmente, eles concluíram que algo interessante havia acontecido com uma probabilidade de 99,9%. Em outras palavras, eles viram um sinal real, não uma flutuação aleatória. Existem muitos objetos no Universo que emitem raios gama e raios-X que compõem o fundo. Mas pode o incidente estar ligado à fusão gravitacional de dois buracos negros?
Simulações de computador de dois buracos negros que se fundem com a produção de ondas gravitacionais. A questão é: esse sinal acompanha alguma explosão eletromagnética?
Se sim, por que os outros satélites não o viram? No momento, podemos concluir que se os buracos negros tivessem uma parte eletromagnética, ele:
- extremamente fraco
- nasce apenas com baixas energias
- não tem componente ótico brilhante, rádio ou raio gama
- não ocorre simultaneamente com a liberação de ondas gravitacionais.
Buracos negros binários de 30 massas solares, registrados pela primeira vez pelo LIGO, são difíceis de formar sem um colapso direto. Agora, quando já foram observados duas vezes, ficou claro que esses pares de buracos negros são bastante comuns. Eles têm radiação eletromagnética?
Além disso, tudo o que vemos se encaixa perfeitamente com o fato de que os buracos negros em fusão não têm uma parte eletromagnética. Mas será que não temos dados suficientes? Se construirmos mais detectores de ondas gravitacionais, vermos mais fusões de buracos negros de grande massa, localizá-los melhor, ver mais eventos transitórios - podemos descobrir a resposta a essa pergunta. Se missões e observatórios que deveriam coletar tais dados forem construídos, comissionados e colocados em órbita, se necessário, então em 15 anos receberemos confirmação científica.
ILYA KHEL
