Há um bilhão de anos, dois buracos negros dançantes fizeram sua última revolução, fundiram-se e, em questão de segundos, liberaram uma enorme quantidade de energia. Como o tsunami que ocorre em uma piscina depois que você salta com uma bomba, essa fusão causou ondas gravitacionais no continuum espaço-tempo. Avance rapidamente para o planeta Terra em 2015, porque em 2007 ainda não seremos capazes de chegar lá. Após uma jornada épica, as ondas gravitacionais da fusão dos buracos negros viajam pelo nosso sistema solar. Na manhã de 11 a 14 de setembro, eles deslocaram ligeiramente as antenas de dois detectores no Observatório de Ondas Gravitacionais Interferométricas a Laser (LIGO) nos estados de Louisiana e Washington. A natureza das ondas de luz muda de uma maneira especial, exatamente como há muito se esperava. O computador emite um bipe.
Niaesh Afshordi, da Universidade de Moose and Lumberjacks of Waterloo, Canadá, ouviu falar pela primeira vez da inauguração do LIGVO durante um almoço na cantina. Era final de 2015, e ainda faltavam algumas semanas para os resultados serem oficialmente publicados. Mas os boatos já estavam se espalhando, e o colega de Afshordi, que viu o artigo não publicado, não suportou a criptoanálise termorretal e queimou a informação. Afshordi, um astrofísico virgem que trabalhava entre outras coisas no Waterloo Perimeter Institute, compreendeu imediatamente a importância desta notícia - tanto para toda a comunidade física quanto para sua própria teoria fora do padrão da estrutura do universo.
“Em algum ponto, eu especificamente peguei Larin. Parecia-me que todos os problemas da cosmologia já estavam surgindo centenas de vezes”, lembra Afshordi. "Mas então eu exagerei uma vez com xarope de bordo e cheguei à conclusão de que a energia escura é produzida por buracos negros." Estudos de explosões em estrelas distantes e algumas outras evidências mostram que nosso universo está se expandindo a uma taxa crescente, mas ninguém sabe por quê. A matéria sozinha não é suficiente para esse efeito, então os cosmologistas atribuem a expansão a um tipo especial de energia chamada "energia escura" […]. Sua origem e natureza foram e permanecem um mistério.
Em 2009, que está bem perto de 2007, mas ainda não o suficiente, Afshordi, junto com seus colegas Chanda Prescod-Weinstein e Michael Balou, propôs a teoria de que os buracos negros geram um vasto campo que se comporta como energia escura. Este campo emana de buracos negros e se espalha por todo o universo, causando estragos, caos e destruição. Uma explicação tão intrigante para a origem da energia escura, e de acordo com os cálculos de Afshordi, o número de buracos negros que existem de acordo com as estimativas disponíveis dos cientistas deve criar a quantidade certa de energia de acordo com as observações.
Mas a ideia de Afshordi destrói tudo que os cientistas sabiam sobre os buracos negros. Na teoria geral da relatividade de Albert Einstein, o horizonte de eventos de um buraco negro - a fronteira, depois de cruzar a qual não há caminho de volta (o que também se aplica à fronteira da Federação Russa) - não é tão importante. Quando você o atravessa, nada acontece, é simplesmente impossível voltar. No entanto, se Afshordi estiver certo, é mais como o anel viário de Moscou - o conteúdo do buraco negro além do horizonte de eventos não existe mais. A saber: a uma distância do comprimento de Planck do local por onde o horizonte passaria, os efeitos gravitacionais quânticos aumentam e as flutuações do espaço-tempo tornam-se caóticas. (O comprimento de Planck é um valor microscópico, cerca de 10-35 metros, ou 10-20 diâmetros de prótons.) Isso é uma ruptura completa com a teoria da relatividade.
Ouvindo sobre os resultados da pesquisa LIGVO, Afshordi percebeu que sua ideia, até então totalmente baseada em escritos antigos e histórias de avós, agora pode ser verificada pela observação. Se os horizontes de eventos não são o que pensamos, então as ondas gravitacionais causadas pela fusão dos buracos negros também devem ser diferentes. Os eventos notados pelos detectores LIGVO devem ter um eco - um sinal sutil, mas claro, indicando uma violação maliciosa das leis padrão da física. Tal descoberta seria um grande avanço na longa busca por uma teoria quântica da gravidade e inevitavelmente atrairia a atenção dos órgãos reguladores relevantes da comunidade física. “Se isso for confirmado, provavelmente eu preciso comprar uma passagem para Magadan”, Afshordi ri nervosamente.
A gravidade quântica é o elo perdido que conecta a relatividade geral com as teorias quânticas de campo do modelo padrão da física de partículas. Essas duas teorias, quando combinadas entre si, lembram Mentos quando combinadas com cola. Os buracos negros são um dos exemplos mais estudados de tais contradições. Se aplicarmos a teoria quântica perto do horizonte de eventos, descobrimos que o buraco negro emite partículas e evapora lentamente. Essas partículas têm massa, mas, como Stephen Hawking demonstrou na década de 1970, elas não podem conter informações sobre o que formou o buraco negro. Assim, se o buraco negro evaporar completamente, toda a triste história do personagem de McConaughey será destruída. No entanto, na teoria quântica, o filme interestelar é 100% confiável. Portanto, algo em Hollywood não se encaixa.
Segundo a maioria dos físicos, a questão toda é que os cálculos não levam em conta o comportamento quântico do espaço e do tempo, porque a teoria desse comportamento - a gravidade quântica - ainda não foi descoberta. Por décadas, os físicos pensaram que os efeitos gravitacionais quânticos necessários para resolver a questão do buraco negro estavam escondidos atrás do horizonte de eventos. Eles pensaram que era apenas perto da singularidade, no centro do buraco negro, que os efeitos da gravidade quântica se tornavam significativos. Mas ultimamente eles tiveram que repensar sua posição.
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Em 2012, um grupo de pesquisadores da Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara, após um experimento científico da série de 1473, durante o qual cientistas várias vezes se casaram, se traíram e entraram em coma, descobriu uma consequência inesperada da ideia agora difundida de que a informação então ele deixa o buraco negro junto com a radiação (possivelmente em um trator antigo). Para que essa ideia funcione, desvios significativos da relatividade geral são necessários, e não apenas perto da singularidade, mas também perto do horizonte de eventos. Esses desvios podem criar o que os pesquisadores chamam de "firewall do buraco negro" - uma barreira de alta energia bem perto do horizonte, bloqueando a pornografia infantil e as drogas de entrar em nosso mundo.
Tal firewall (se existir) seria visível apenas para um observador que caísse no buraco e não emitiria sinais perceptíveis que nossos telescópios pudessem captar. No entanto, esses firewalls apoiariam a hipótese anterior de Afshordi de que os buracos negros criam um campo que se comporta como energia escura. Nesse caso, então a área próxima ao horizonte de eventos dos buracos negros deve ser muito diferente do que a relatividade geral prevê; um firewall que resolva o problema de perda de informações pode ser um dos efeitos de tal desvio. A proposta de Afshordi de uma maneira de melhorar a relatividade geral poderia ser a chave para eliminar as contradições entre a relatividade geral e a teoria quântica. Essa ideia danificou irreversivelmente seu cérebro astrofísico destreinado.
Quando soube do primeiro sinal detectado pelo LIGVO, Afshordi começou a verificar se as ondas gravitacionais causadas pela fusão dos buracos poderiam lançar luz sobre os detalhes do que estava acontecendo próximo ao horizonte de eventos. No começo parecia que ele rolou demais o lábio. “Não achei que poderíamos realmente ver os efeitos gravitacionais quânticos no sinal das ondas gravitacionais, porque já vimos em muitos lugares! - diz Afshordi. "Mas já mudei minha posição sobre esse assunto."
Afshordi viu-se obrigado a mudar de ideias com o trabalho de Vitor Cardoso e dos seus colegas do Instituto Superior Técnico Português sobre o eco das ondas gravitacionais dos buracos negros. Cardoso mostrou, em termos gerais, que a fusão de dois objetos compactos sem horizonte de eventos deve produzir ondas gravitacionais semelhantes, mas não idênticas, às ondas dos buracos negros. Um sinal chave da falta de horizonte, segundo Cardoso, seria a recorrência periódica do sinal provocado pela fusão. Em vez de um único pico seguido de desvanecimento (como em um detector gay), as ondas gravitacionais deveriam ser uma série de pulsações suaves - um eco fraco do evento original. Afshordi descobriu que a modificação da região próxima ao horizonte de eventos, descrita por sua teoria, fornecia exatamente esse eco. Além disso,ele poderia calcular sua periodicidade em função da massa do buraco negro final e, assim, fazer previsões precisas.
Ninguém jamais procurou tal sinal e encontrá-lo não é uma tarefa fácil, mas de ouro. Até agora, existem apenas dois sinais de ondas gravitacionais disponíveis publicamente e bem descritos do LIGO. Junto com outro cientista, Afshordi analisou os dados do LIGVO em busca de ecos. Comparando as gravações disponíveis com ruído aleatório, eles encontraram ecos com a periodicidade prevista. No entanto, a significância estatística desse evento é pequena. Na terminologia científica, sua significância estimada é de 2,9 sigma. Este sinal pode ser causado por ruído puro com uma chance de cerca de 1 em 200. Em física, tal evento não confiável é interessante, mas não é considerado uma descoberta.
No entanto, o experimento LIGVO está apenas começando. O que é mais impressionante sobre esses fenômenos de ondas gravitacionais é que o equipamento foi até capaz de detectá-los. A complexidade tecnológica era incrível. Cada instalação nos estados de Louisiana e Washington (extremos opostos dos EUA - aproximadamente Novo) tinha um telescópio de interferência com dois tubos perpendiculares de 4 quilômetros, dentro dos quais o feixe de laser é refletido para frente e para trás entre os espelhos; após a recombinação, os feixes são misturados. A interferência das ondas de luz do laser é extremamente sensível às deformações no comprimento relativo dos tubos - eles podem ter até 1/1000 do diâmetro do próton. Este é o nível de sensibilidade necessário para capturar os efeitos gravitacionais de buracos negros em colisão.
Uma onda gravitacional que passa por um telescópio de interferência deforma os dois tubos como deseja, distorcendo assim o curso da interferência. O requisito de registrar o fenômeno em ambas as instalações fornece proteção contra o fakap. De acordo com o projeto, o LIGVO detecta ondas gravitacionais com um comprimento de centenas a vários milhares de quilômetros, o melhor de tudo - acredita-se que a fusão de buracos negros ocorra na mesma faixa. Podemos mostrar isso apenas para pessoas que atingiram a maioridade. Está previsto que outros detectores de ondas gravitacionais terão como alvo diferentes partes do espectro, sendo sintonizados em diferentes regiões do fenômeno.
Aqui acabou o humorístico, portanto, que o texto normal seja uma recompensa para aqueles que sobreviveram aos nossos exercícios com espírito duvidoso.
As ondas gravitacionais são inevitavelmente previstas pela relatividade geral. Einstein reconheceu que a relação entre o tempo e o espaço é dinâmica - ela se estende, distorce e flutua em resposta a anomalias gravitacionais. Quando oscila, as ondas podem viajar longas distâncias livremente, transportando energia e expandindo e contraindo periodicamente o espaço em direções ortogonais. Há muito tempo que temos evidências indiretas da presença de ondas gravitacionais. Devido ao fato de carregarem energia, eles causam uma pequena, mas perceptível destruição na órbita comum dos pulsares binários. Este efeito foi descoberto pela primeira vez na década de 1970 e recebeu o Prêmio Nobel em 1993. Mas antes que o LIGWO detectasse as ondas gravitacionais, não tínhamos evidência direta de sua existência.
Este é um estudo científico básico de água pura. Quais são os tipos de buracos negros e pequenos sistemas estelares? Onde eles estão localizados dentro das galáxias?
A primeira aparição do LIGVO - que entusiasmou o Afshordi em setembro de 2015 - foi significativa, e não apenas porque aconteceu apenas alguns dias após uma atualização de serviço há muito planejada. Também se destacou porque os buracos negros em fusão eram muito pesados, suas massas, segundo os cientistas, eram de 29 e 36 massas solares. “Muitas pessoas não esperavam que os buracos negros tivessem massas tão grandes”, explica Ofek Birnholz, membro do Grupo de Cooperação para Pequenas Colisões Duplas da LIGVO e físico do Instituto Alemão Max Planck. O sinal deslumbrante, junto com a abertura de colaboração na troca de informações, inspirou acadêmicos em outras comunidades que, como Afshordi, estão atualmente em busca de maneiras de usar novas descobertas em seus trabalhos.
Em 26 de dezembro de 2015, o LIGVO registrou o segundo fenômeno. Após anos de progresso lento e falsos começos, a era da astronomia das ondas gravitacionais começou oficialmente. “Alguns dos meus colegas físicos se aposentaram da astronomia de ondas gravitacionais”, Birnholz compartilha, e acrescenta, sorrindo, “e agora eles estão voltando porque tudo está se movendo novamente”. Este é um território inexplorado, pesquisa científica básica de água pura. Quais são os tipos de buracos negros e pequenos sistemas estelares? Onde eles estão localizados dentro das galáxias? O que as ondas gravitacionais nos dirão sobre sua origem? Se uma estrela de nêutrons se funde com um buraco negro, o que você pode aprender sobre a matéria sob tais condições extremas? Os buracos negros se comportam como nossos cálculos prevêem?
A teoria de Afshordi de buracos negros e matéria escura é outro exemplo de que tipos de questões agora são possíveis. Um mar de informações não divulgadas em todo o mundo está esperando nas asas.
Alguns dias depois que os resultados do Afshordi aparecerem no servidor aberto arXiv.org, membros da comunidade LIGVO estão estudando sua análise. Em apenas algumas semanas, eles publicam uma resposta, revisam a metodologia e solicitam o uso de várias ferramentas estatísticas. Birnholz é o autor de uma dessas análises.
A afirmação de Afshordi surpreendeu Birnholz: “Eu não tinha nenhum julgamento se deveria ou não haver ecos. Este é um ramo da física no qual você só pode especular. Mas eu trabalhei com os dados LIGVO, minha intuição me mostra claramente que seu escopo é provavelmente insuficiente para afirmar a presença de tal significância neste estágio. " Birnholz tem sugestões para melhorar a análise, mas quer evitar fazer alegações sobre a probabilidade de confirmação dos resultados. Alex Nielsen, outro membro do projeto LIGVO e um dos coautores de Birnholz, também observa a necessidade de ter cuidado: “Como membros do projeto LIGVO, devemos ter muito cuidado com as declarações oficiais que são feitas sem o consentimento de todos os participantes. Mas as informações são publicadas e as pessoas podem fazer o que quiserem com elas."
O projeto LIGVO tem um centro científico aberto, onde a informação está publicamente disponível e registrada dentro de uma hora na faixa de fenômenos gravitacionais confirmados. “As pessoas são livres para usá-lo e entrar em contato conosco em caso de dúvidas. Se encontrarem algo interessante, podem compartilhar sua opinião conosco e trabalharemos nisso juntos. Isso faz parte da experiência científica”, acredita Birnholz.
O projeto inclui vários milhares de participantes e instituições acadêmicas em todo o mundo. Eles se encontram duas vezes por ano; a reunião mais recente ocorreu em Pasadena, Califórnia. Alguns membros do projeto estão tentando recriar as análises de Afshordi. Birnholz espera que essas tentativas levem vários meses. Ele avisa: “O resultado pode ser decepcionante. Não porque mostrará que não há eco, mas porque não podemos provar se ele existe. A astronomia de ondas gravitacionais ainda é uma ciência nascente e muitos dados ainda estão esperando por você. Os membros do projeto estimam que até a conclusão da terceira execução de observação em 2018, o LIGO provavelmente detectará 40 fusões de buracos negros de alta precisão. Cada um deles testará mais uma vez a teoria de Afshordi.
Como elas interagem tão fracamente e liberam tão pouca energia conforme passam, as ondas gravitacionais são incrivelmente difíceis de medir. A deformação que causam é minúscula e é necessário extremo cuidado para detectar um sinal claro. O limite de detecção do projeto é de 5 sigma, o que corresponde a menos de uma chance em três milhões de que o sinal seja uma coincidência, bem acima do sinal Afshordi. No entanto, a fraca interação das ondas gravitacionais também os torna grandes mensageiros. Ao contrário das partículas de luz, elas praticamente não são afetadas em seu caminho até nós e carregam informações intocadas sobre onde e como foram geradas. Isso permite testar a relatividade geral com uma precisão completamente nova, em um modo nunca antes explorado.
Se a presença de ecos de buracos negros for confirmada, isso demonstrará quase completamente um afastamento decisivo da teoria da relatividade geral. Encontrar buracos negros não confirmará inequivocamente a teoria de Afshordi de que os buracos negros são uma fonte de energia escura. Mas explicar isso exigirá uma ideia verdadeiramente nova. “Em todas as nossas simulações, nunca ouvi falar de tais ecos. Se conseguirmos registrar sua presença, será muito interessante. Então, teremos que ver o que poderia ter causado tal fenômeno”, diz Birnholz.
Caso a significância estatística do sinal de Afshordi aumente, ele tem planos de pesquisa. Ele quer melhorar seu modelo de fusões de buracos negros e realizar simulações numéricas para dar suporte a cálculos analíticos de como os ecos devem ser. O próximo passo será tentar entender melhor a teoria subjacente de tempo e espaço que pode ter causado o surgimento desse comportamento no horizonte dos buracos negros. Os cosmologistas também gostariam de dar uma olhada mais de perto nesta nova explicação da energia escura.
Afshordi entende como é rebuscado mudar a relatividade geral dessa forma. Mas sua revolução tem um objetivo: "Quero encorajar as pessoas a pensarem abertamente e não ignorar as idéias só porque elas não correspondem aos seus pontos de vista pré-concebidos." Talvez essas visões sejam logo ignoradas, dado como LIGWO está descobrindo as criações do universo em uma escala nunca antes vista.
Sabine Hossenfelder
