Podemos aprender muito sobre a ancestralidade de um ser humano observando suas características gerais. Uma criança pode herdar os olhos do pai, o sorriso da mãe ou até mesmo a calvície do avô.
No entanto, buracos negros possuem poucas características distintivas — como disse o físico teórico John Wheeler, “buracos negros não têm cabelo”. Ainda assim, determinar a ascendência de uma criança apenas por traços físicos é subjetivo; por isso, testes de DNA são frequentemente utilizados. Agora, novas pesquisas sugerem um teste análogo para identificar a ancestralidade dos buracos negros.
Em vez de uma amostra de saliva ou sangue, esses testes cósmicos utilizam pequenas ondulações na estrutura do espaço-tempo, conhecidas como ondas gravitacionais, propostas por Albert Einstein há 110 anos.
Uma equipe de cientistas descobriu que a ascendência de buracos negros supermassivos formados por uma cadeia de fusões sucessivas de buracos negros progenitores poderia estar escondida nas rotações, ou “spins”.
Além disso, o método desenvolvido pela equipe sugere que os padrões de spin desses buracos negros podem revelar a região do espaço em que nasceram. Nem mesmo os testes de DNA humanos conseguem indicar o hospital onde um bebê nasceu!
Ondas gravitacionais, detectadas por instalações como o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser (LIGO) e o Observatório Virgo, podem ser usadas para “ler” essa informação, funcionando como uma certidão de nascimento cósmica.
“Nosso estudo fornece uma maneira poderosa e baseada em dados para identificar a origem da história de formação de um buraco negro, mostrando que o spin dele é um forte indicativo de sua pertença a um grupo de buracos negros de alta massa, que se formam em aglomerados estelares densamente povoados, onde pequenos buracos negros colidem e se fundem repetidamente”, afirmou a pesquisadora Isobel Romero-Shaw.
A linhagem dos buracos negros
A ancestralidade dos buracos negros se tornou uma questão intrigante quando os cientistas perceberam que alguns buracos negros eram massivos demais para terem se originado da forma mais convencional: a morte de uma estrela.
Buracos negros de massa estelar, com massas entre 10 e 100 vezes a do Sol, nascem quando estrelas massivas consomem todo o seu combustível para fusão nuclear e colapsam sob a própria gravidade.
Buracos negros supermassivos, por outro lado, têm massas equivalentes a milhões ou bilhões de sois. Nenhuma estrela isolada pode colapsar e formar um buraco negro tão massivo, o que levou à teoria de que eles surgem a partir da fusão de buracos negros menores.
A primeira detecção de ondas gravitacionais de fusão de buracos negros foi realizada pelo LIGO e Virgo em 2015, cem anos após Einstein prever sua existência na teoria da relatividade geral. Desde então, a abundância de fusões detectadas por esses observatórios ajudou a confirmar essa teoria do “crescimento por fusão”.
A relatividade geral prevê que objetos com massa deformam o espaço-tempo, gerando o que chamamos de gravidade. Einstein também previu que a aceleração de objetos no espaço-tempo cria ondulações que se propagam à velocidade da luz: as ondas gravitacionais.
Buracos negros, devido à sua imensa massa, são fontes ideais para essas ondas. Quando dois buracos negros orbitam um ao outro em um sistema binário, essa rotação contínua gera ondas gravitacionais que dissipam energia e fazem com que eles se aproximem cada vez mais, acelerando a emissão dessas ondas até que, finalmente, colidam e se fundam.
Essa fusão gera um novo buraco negro, mais massivo que seus progenitores, mas com uma pequena perda de massa convertida em um “grito” de ondas gravitacionais de alta frequência.
“À medida que observamos mais fusões de buracos negros com detectores de ondas gravitacionais como LIGO e Virgo, fica cada vez mais claro que os buracos negros apresentam massas e spins diversos, sugerindo que se formaram de diferentes maneiras”, afirmou o professor e pesquisador líder Fabio Antonini.
A chave para decifrar o passado
Para desvendar esse mistério, a equipe analisou dados de 69 eventos de ondas gravitacionais detectados pelo LIGO e Virgo.
Eles descobriram que o spin de um buraco negro se altera quando atinge uma determinada massa, estabelecendo um limiar de massa no qual a rotação dos buracos negros muda de maneira previsível. O padrão identificado pela equipe corresponde a modelos que sugerem que buracos negros crescem por fusões repetidas dentro de aglomerados estelares densos.
Com base nesses achados, cientistas agora podem refinar os modelos computacionais usados para simular a formação e evolução dos buracos negros.
No futuro, quando novos sinais de ondas gravitacionais forem detectados por observatórios como LIGO, Virgo, o planejado Telescópio Einstein e o detector espacial de ondas gravitacionais LISA (Laser Interferometer Space Antenna), esses modelos aprimorados ajudarão a interpretar melhor os dados coletados.
“Colaborar com outros pesquisadores e utilizar métodos estatísticos avançados nos ajudará a confirmar e expandir nossas descobertas, especialmente à medida que avançamos para detectores de próxima geração”, afirmou o pesquisador Thomas Callister. “O Telescópio Einstein, por exemplo, poderá detectar buracos negros ainda mais massivos e fornecer mais informações inéditas sobre a origem delas.”
