Simulações mostram as consequências da colisão de um buraco negro

May 11, 2023

Novas simulações de dois buracos negroscolisões próximas à velocidade da luz revelam a misteriosa física do que um astrofísico chama de "um dos eventos mais violentos que você pode imaginar no universo".

“É uma loucura explodir dois buracos negros de frente muito perto da velocidade da luz”, disse Thomas Helfer, pós-doutorado da Universidade Johns Hopkins, que produziu as simulações. “As ondas gravitacionais associadas à colisão podem parecer anticlimáticas, mas este é um dos eventos mais violentos que você pode imaginar no universo”.

O trabalho, que aparece na Physical Review Letters, é o primeiro olhar detalhado sobre as consequências de tal choque cataclísmico e mostra como um buraco negro remanescente se formaria e enviaria ondas gravitacionais através do cosmos.

Fusões de buracos negros são um dos poucos eventos no universo com energia suficiente para produzir ondas gravitacionais detectáveis, que carregam energia produzida por colisões cósmicas massivas. Como ondulações em um lago, essas ondas fluem através do universo, distorcendo o espaço e o tempo. Mas, diferentemente das ondas que viajam pela água, elas são extremamente pequenas e se propagam pelo "espaço-tempo", o conceito alucinante que combina as três dimensões do espaço com a ideia de tempo.

"Se uma onda gravitacional passa por mim, isso me deixa um pouco mais magro e um pouco mais alto, e depois um pouco mais baixo e um pouco mais gordo", disse o co-autor Emanuele Berti, físico da Johns Hopkins. "Mas a quantidade pela qual ele faz isso é cerca de 100.000 vezes menor que o tamanho de um núcleo atômico."

Os físicos estudaram as ondas emitidas após a fusão dos buracos negros, simplificando a relatividade geral – a teoria de Einstein de como a gravidade funciona – usando equações que ignoram os efeitos gravitacionais sutis, mas importantes, da fusão. Berti acha que essa abordagem é tendenciosa porque se baseia em "aproximações lineares", a suposição de que as ondas gravitacionais produzidas durante a fusão são fracas.

Embora seja quase impossível para os buracos negros colidirem em velocidades tão extremas, a simulação de tal colisão produziu sinais fortes o suficiente para a equipe detectar não linearidades ou efeitos gravitacionais que não podem ser encontrados com a versão simplificada da teoria. As descobertas sugerem que as fusões de buracos negros não podem ser estudadas com equações linearizadas e que os modelos atuais desses eventos precisam ser ajustados, se não mudados completamente.

"A relatividade geral é não linear, o que significa que as próprias ondas gravitacionais também produzirão mais ondas gravitacionais", disse Mark Ho-Yeuk Cheung, estudante de doutorado em física da Johns Hopkins que liderou a pesquisa.

A equipe também detectou essas chamadas não linearidades analisando simulações de dois buracos negros que se fundem após orbitarem um ao outro, um cenário que representa de forma mais realista o que acontece no universo. Um estudo das mesmas simulações por um grupo independente de pesquisadores da Caltech, também aparece na Physical Review Letters de hoje e encontra resultados semelhantes.

“É um grande problema porque não podemos esquecer as complicações se realmente queremos entender os buracos negros”, disse Cheung. "A teoria de Einstein é uma besta; as equações são realmente complicadas."

Os autores incluem Vishal Baibhav, da Northwestern University; Vitor Cardoso, do Instituto Niels Bohr e da Universidade de Lisboa; Gregorio Carullo, da Universidade Friedrich Schiller Jena; Roberto Cotesta, da Johns Hopkins; Walter Del Pozzo, da Universidade de Pisa; Francisco Duque, da Universidade de Lisboa; Estuti Shukla, da Universidade Estadual da Pensilvânia; e Kaze Wong, do Flatiron Institute. Baibhav e Wong são ex-alunos da Johns Hopkins.

Esta pesquisa foi financiada pela Croucher Foundation, NSF Grants No. AST-2006538, PHY-2207502, PHY-090003 e PHY-20043, e NASA Grants No. 19-ATP19-0051, 20-LPS20-0011 e 21-ATP21- 0010. Este trabalho foi produzido com recursos computacionais no Maryland Advanced Research Computing Center e no Texas Advanced Computing Center.