3592: Um sinal como nenhum antes

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Fusão de um buraco negro binário onde os dois objectos têm massas muito diferentes – 8 e 30 vezes a massa do Sol.
Crédito: N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Instituto Max Planck para Física Gravitacional), projecto SXS (Simulating eXtreme Spacetimes)

As expectativas da comunidade de pesquisa de ondas gravitacionais foram cumpridas: as descobertas de ondas gravitacionais são agora parte do seu trabalho diário, pois identificaram na última campanha de observação, O3, novos candidatos a ondas gravitacionais cerca de uma vez por semana. Mas agora os investigadores publicaram um sinal notável, diferente de todos os observados anteriormente: GW190412 é a primeira observação da fusão de um buraco negro binário onde os dois objectos têm massas muito diferentes, de 8 e 30 vezes a massa do Sol. Isto não só permitiu medições mais precisas das propriedades astrofísicas do sistema, como também permitiu que os cientistas do LIGO/Virgo verificassem uma previsão até agora não testada da teoria da relatividade geral de Einstein.

“Pela primeira vez ‘ouvimos’ em GW190412 o zumbido inconfundível de ondas gravitacionais de uma harmonia mais alta, semelhante a sons de instrumentos musicais,” explica Frank Ohme, líder do Grupo de investigação “Observações de Fusões Binárias e Relatividade Numérica” do Instituto Max Planck para Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein) em Hannover. “Em sistemas com massas desiguais como GW190412 – a nossa primeira observação deste tipo – estes tons no sinal das ondas gravitacionais são muito mais altos do que nos das nossas observações normais. É por isso que não os conseguíamos ouvir antes, mas com GW190412, finalmente podemos.” Esta observação confirma mais uma vez a teoria da relatividade geral de Einstein, que prevê a existência destes tons mais agudos, ou seja, ondas gravitacionais com duas ou três vezes a frequência fundamental observada até agora.

“Os buracos negros no coração de GW190412 têm 8 e 30 vezes a massa do nosso Sol, respectivamente. Este é o primeiro buraco negro binário que observámos cuja diferença de massa entre os dois objectos é tão grande!” diz Roberto Cotesta, estudante de doutoramento na divisão “Relatividade Astrofísica e Cosmológica” do Instituto Albert Einstein (IAE) em Potsdam, Alemanha. “Esta grande diferença de massas significa que podemos medir com mais precisão várias propriedades do sistema: a sua distância até nós, o ângulo de observação e a rapidez com que o buraco negro mais pesado gira sobre si próprio.”

Um sinal como nenhum antes

GW190412 foi observado pelo detector LIGO e pelo detector Virgo no dia 12 de Abril de 2019, no início da terceira campanha de observação (O3) dos instrumentos. As análises revelam que a fusão ocorreu a uma distância de 1,9 a 2,9 mil milhões de anos-luz da Terra. O novo sistema de massa desigual é uma descoberta única, pois todos os binários observados anteriormente pelos detectores LIGO e Virgo tinham massas aproximadamente iguais.

As massas desiguais estão “imprimidas” no sinal observado da onda gravitacional, que por sua vez permite que os cientistas meçam com mais precisão certas propriedades astrofísicas do sistema. A presença de uma harmonia mais aguda torna possível quebrar uma ambiguidade entre a distância do sistema e o ângulo a que observamos o seu plano orbital; portanto, estas propriedades podem ser medidas com maior precisão do que em sistemas de massas idênticas sem harmonias mais agudas.

“Durante as campanhas O1 e O2, observámos a ponta do icebergue da população binária composta por buracos negros de massa estelar,” diz Alessandra Buonanno, directora da divisão “Relatividade Astrofísica e Cosmológica” do IAE em Potsdam e professora na Universidade de Maryland em College Park, EUA. “Graças à sensibilidade aprimorada, GW190412 começou a revelar-nos uma população mais diversa, caracterizada por uma assimetria de massa até um factor de 4 e buracos negros que giram a cerca de 40% do valor máximo possível permitido pela relatividade geral,” acrescentou.

Os investigadores do Instituto Albert Einstein contribuíram para a detecção e análise de GW190412. Forneceram modelos precisos das ondas gravitacionais dos buracos negros coalescentes que incluíram, pela primeira vez, a precessão das rotações dos buracos negros e os momentos multípolos para lá do quadrupolo dominante. Estas características impressas na forma da onda foram cruciais para extrair informações únicas sobre as propriedades da fonte e realizar os nossos testes da relatividade geral. As redes de computadores de alto desempenho “Minerva” e “Hypatia” no IAE em Potsdam e “Holodeck” no IAE em Hannover contribuíram significativamente para a análise do sinal.

Testando a teoria de Einstein

Os cientistas do LIGO/Virgo também usaram GW190412 para procurar desvios dos sinais que a teoria da relatividade geral de Einstein prevê. Embora o sinal tenha propriedades diferentes de todos os outros encontrados até agora, os investigadores não conseguiram encontrar um desvio significativo das previsões relativísticas gerais.

Esta descoberta é a segunda relatada da terceira campanha de observação (O3) da rede internacional de detectores de ondas gravitacionais. Os cientistas dos três grandes detectores fizeram várias actualizações tecnológicas nos instrumentos.

“Durante a O3, foi usada luz ‘espremida’ para aumentar a sensibilidade do LIGO e do Virgo. Esta técnica de ajustar cuidadosamente as propriedades da mecânica quântica da luz laser foi explorada no detector alemão-britânico GEO600,” explica Karsten Danzmann, director do IAE em Hannover e director do Instituto para Física Gravitacional da Universidade de Leibniz em Hannover. “O Instituto Albert Einstein está a liderar os esforços mundiais para maximizar o grau de compressão, que já melhorou a sensibilidade do detector GEO600 por um factor de dois. Os nossos avanços nesta tecnologia vão beneficiar todos os futuros detectores de ondas gravitacionais.”

2 concluídos, 54 na lista de tarefas

A rede de detectores emitiu alertas para 56 possíveis eventos (candidatos) de ondas gravitacionais durante a campanha O3 (de 1 de Abril de 2019 a 27 de Março de 2020, com uma interrupção para actualizações e comissionamento em Outubro de 2019). Destes 56, um outro sinal confirmado, GW190425, já foi publicado. Os cientistas do LIGO e do Virgo estão a examinar todos os restantes 54 candidatos e publicarão todos aqueles para os quais as análises detalhadas de acompanhamento confirmem a sua origem astrofísica.

A observação de GW190412 significa que sistemas similares provavelmente não são tão raros quanto o previsto por alguns modelos. Portanto, com observações adicionais de ondas gravitacionais e catálogos de eventos cada vez maiores no futuro, são esperados mais destes sinais. Cada um deles poderá ajudar os astrónomos a melhor entender como os buracos negros e os seus sistemas binários são formados, e a lançar uma nova luz sobre a física fundamental do espaço-tempo.

Astronomia On-line
24 de Abril de 2020

 

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