Os físicos consideram os buracos negros alguns dos objetos mais misteriosos que existem. Ironicamente, eles também são considerados dos mais simples. Durante anos, físicos como eu têm procurado provar que os buracos negros são mais complexos do que parecem. E uma recém-aprovada missão espacial europeia chamada LISA nos ajudará nessa busca.
Pesquisas realizadas na década de 1970 sugerem que é possível descrever um buraco negro de forma abrangente usando apenas três atributos físicos: massa, carga e rotação (spin). Todas as outras propriedades dessas estrelas maciças moribundas, como sua composição detalhada, densidade e perfis de temperatura, desaparecem quando elas se transformam em um buraco negro. É assim que eles são tão simples.
A ideia de que os buracos negros têm apenas três atributos é chamada de teorema “sem cabelos”, o que implica que eles não têm nenhum detalhe “cabeludo” que os torne complicados.
Buracos negros cabeludos?
Durante décadas, os pesquisadores da comunidade astrofísica exploraram brechas ou soluções alternativas dentro das suposições do “teorema do não cabelo” para criar possíveis cenários de buracos negros cabeludos. Um buraco negro cabeludo tem uma propriedade física que os cientistas podem medir - em princípio - que está além de sua massa, carga ou rotação. Essa propriedade deve ser uma parte permanente de sua estrutura.
Há cerca de uma década, Stefanos Aretakis, físico atualmente na Universidade de Toronto, demonstrou matematicamente que um buraco negro contendo o máximo de carga elétrica possível - chamado de buraco negro extremante carregado - desenvolveria “cabelos” em seu horizonte de eventos. O horizonte de eventos de um buraco negro é a fronteira onde qualquer coisa que a atravesse, mesmo a luz, não pode mais escapar.
A análise de Aretakis, no entanto, foi mais um experimento mental, usando um cenário físico altamente simplificado e, portanto, não é algo que os cientistas esperam observar astrofisicamente. Mas os buracos negros supercarregados podem não ser o único tipo que poderia ter “cabelos”.
Como se sabe que objetos astrofísicos, como estrelas e planetas, giram, os cientistas esperam que os buracos negros também girem a partir da maneira como eles se formam. Evidências astronômicas mostraram que os buracos negros têm rotação, embora os pesquisadores não saibam qual é o valor típico de rotação de um buraco negro astrofísico.
Usando simulações de computador, minha equipe recentemente descobriu tipos semelhantes de “cabelos” em buracos negros que estão girando na taxa máxima. Esse “cabelo” tem a ver com a taxa de mudança, ou o gradiente, da curvatura do espaço-tempo no horizonte de eventos. Descobrimos também que um buraco negro não precisaria estar girando na velocidade máxima para ter cabelos, o que é importante porque esses buracos negros girando no máximo provavelmente não se formam na natureza.
Detectando e medindo o “cabelo”
Minha equipe queria desenvolver uma maneira de medir esse “cabelo” - uma nova propriedade fixa que poderia caracterizar um buraco negro além de sua massa, rotação e carga. Começamos a investigar como essa nova propriedade poderia deixar uma assinatura em uma onda gravitacional emitida por um buraco negro de rotação rápida.
Uma onda gravitacional é uma minúscula perturbação no espaço-tempo, normalmente causada por eventos astrofísicos violentos no Universo. As colisões de objetos astrofísicos compactos, como buracos negros e estrelas de nêutrons, emitem fortes ondas gravitacionais. Uma rede internacional de observatórios gravitacionais, incluindo o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser nos Estados Unidos, detecta rotineiramente essas ondas.
Nossos estudos recentes sugerem que é possível medir esses atributos “cabeludos” a partir de dados de ondas gravitacionais para buracos negros de rotação rápida. A análise dos dados de ondas gravitacionais oferece uma oportunidade de obter uma espécie de assinatura que poderia indicar se um buraco negro tem esse tipo de “cabelo”.
Nossos estudos em andamento e o progresso recente feito por Som Bishoyi, um aluno da equipe, baseiam-se em uma combinação de modelos teóricos e computacionais de buracos negros de rotação rápida. Nossas descobertas ainda não foram testadas em campo ou observadas em buracos negros reais no espaço. Mas esperamos que isso mude em breve.
O LISA tem sinal verde
Em janeiro de 2024, a Agência Espacial Europeia (ESA) aprovou formalmente a missão do Laser Interferometer Space Antenna (Interferômetro Laser Espacial, em tradução livre), ou LISA, na sigla em inglês. o LISA procurará ondas gravitacionais, e os dados da missão poderão ajudar minha equipe com nossas dúvidas sobre buracos negros “cabeludos”.
A aprovação formal significa que o projeto tem o sinal verde para passar à fase de construção, com lançamento previsto para 2035. A missão LISA consiste em três naves espaciais configuradas em um triângulo equilátero perfeito que seguirá a Terra em sua órbita ao redor do Sol. Cada uma das espaçonaves estará a 2,5 milhões de quilômetros de distância, e elas trocarão feixes de laser para medir a distância entre si com precisão de até cerca de um bilionésimo de centímetro.
O LISA detectará ondas gravitacionais de buracos negros supermaciços que têm milhões ou até bilhões de vezes mais massa do que o nosso Sol. Ele criará um mapa do espaço-tempo ao redor dos buracos negros em rotação, o que ajudará os físicos a entender como a gravidade funciona nas proximidades de buracos negros com um nível de precisão sem precedentes. Os físicos esperam que o LISA também seja capaz de medir quaisquer atributos “cabeludos” que os buracos negros possam ter.
Com o LIGO fazendo novas observações todos os dias e o LISA oferecendo um vislumbre do espaço-tempo ao redor dos buracos negros, agora é um dos momentos mais empolgantes para ser um físico de buracos negros.