p Quando dois buracos negros colidem, eles se fundem em um buraco negro maior e soam como um sino tocado, enviando ondulações no espaço e no tempo chamadas ondas gravitacionais. Embutidas nessas ondas gravitacionais estão frequências específicas, ou tons, que são semelhantes a notas individuais em um acorde musical. p Agora, pesquisadores detectaram dois desses tons pela primeira vez no "ringdown" de um buraco negro recém-formado. Anteriormente, presumiu-se que apenas um único tom poderia ser medido e que tons adicionais, chamados sobretons, seria muito fraco para ser detectado com as tecnologias atuais.

p "Antes, era como se você estivesse tentando combinar o som de um acorde de uma guitarra usando apenas uma única corda, "diz Matthew Giesler, um estudante de graduação na Caltech e segundo autor de um novo estudo detalhando os resultados na edição de 12 de setembro da Cartas de revisão física . Giesler é o autor principal de um artigo relacionado submetido à Physical Review X sobre a técnica usada para encontrar os sobretons.

p Os resultados, que foram baseados em dados de reanálise capturados pelo LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) da National Science Foundation, submeteram a teoria geral da relatividade de Albert Einstein a um novo tipo de teste. Porque a fusão de buracos negros experimenta uma gravidade esmagadora, estudos desses eventos permitem aos pesquisadores testar a teoria geral da relatividade sob condições extremas. Neste caso particular, os pesquisadores testaram uma previsão específica da relatividade geral:que os buracos negros podem ser totalmente descritos apenas por sua massa e taxa de rotação. Ainda denovo, Einstein passou no teste.

p "Este tipo de teste foi proposto muito antes da primeira detecção, mas todo mundo esperava que teria que esperar muitos anos antes que os detectores fossem sensíveis o suficiente, "diz Saul Teukolsky (Ph.D. '73), o Professor Robinson de Astrofísica Teórica na Caltech e conselheiro de Giesler. “Este resultado mostra que podemos começar a fazer o teste já com os detectores de hoje, incluindo os sobretons, um resultado inesperado e emocionante. "

p O LIGO fez história em 2015 quando fez a primeira detecção direta de ondas gravitacionais, 100 anos depois que Einstein os previu pela primeira vez. Desde então, LIGO e seu observatório parceiro baseado na Europa, Virgem, detectaram quase 30 eventos de ondas gravitacionais, que estão sendo analisados ​​mais detalhadamente. Muitas dessas ondas gravitacionais surgiram quando dois buracos negros colidiram, enviando aljavas pelo espaço.

p "Um novo buraco negro se forma a partir de um processo astrofísico violento e, portanto, está em um estado agitado, "diz Maximiliano (Max) Isi (Ph.D. '18), autor principal do Cartas de revisão física estude, agora no MIT. "Contudo, ele rapidamente libera essa energia excedente na forma de ondas gravitacionais. "

p Como parte do trabalho de graduação de Giesler, ele começou a investigar se os sobretons poderiam ser detectados nos dados de ondas gravitacionais atuais, além do sinal principal, ou tom, embora a maioria dos cientistas acreditasse que esses tons eram muito fracos. Ele olhou especificamente para simulações da primeira detecção de ondas gravitacionais do LIGO, de um evento de fusão de buraco negro conhecido como GW150914.

p Durante a fase final da fusão, um período de tempo conhecido como ringdown, o buraco negro recém-fundido ainda está tremendo. Giesler descobriu que os tons, que são altos, mas de curta duração, estão presentes em uma fase anterior do ringdown do que antes.

p "Este foi um resultado muito surpreendente. A sabedoria convencional era que, no momento em que o buraco negro remanescente havia se acomodado para que quaisquer tons pudessem ser detectados, as conotações teriam decaído quase completamente, "diz Teukolsky, que também é professor de física na Cornell University. "Em vez de, Acontece que os sobretons são detectáveis ​​antes que o tom principal se torne visível. "

p As conotações recém-descobertas ajudaram os pesquisadores a testar o teorema "sem cabelo" para buracos negros - a ideia de que não existem outras características, ou "cabelos, "precisava definir um buraco negro diferente de massa ou spin. Os novos resultados confirmam que os buracos negros não têm cabelos, mas os cientistas suspeitam que os testes futuros da teoria, em que observações ainda mais detalhadas são usadas para sondar fusões de buracos negros, pode mostrar o contrário.

p "A teoria de Einstein pode falhar se houver efeitos quânticos em jogo, "diz Giesler.

p "A teoria da gravidade de Newton passa em muitos testes em que a gravidade é fraca, mas falha completamente quando se trata de descrever a gravidade em seu ponto mais extremo, como quando se trata de descrever a fusão de buracos negros. De forma similar, conforme eventualmente investigamos o sinal dos buracos negros com precisão crescente, é possível que mesmo a relatividade geral possa algum dia falhar no teste. "

p Ao longo dos próximos anos, as atualizações planejadas para LIGO e Virgo tornarão os observatórios ainda mais sensíveis às ondas gravitacionais, revelando tons mais escondidos.

p "Quanto maior e mais barulhento um evento, o mais provável é que o LIGO possa captar esses tons, "diz Alan Weinstein, professor de física da Caltech e membro do Laboratório LIGO, que não está associado a este estudo. "Com a primeira detecção de ondas gravitacionais do LIGO, confirmamos as previsões feitas pela relatividade geral. Agora, procurando por sobretons, e sinais ainda mais fracos chamados de modos de ordem superior, estamos procurando testes mais profundos da teoria, e até mesmo evidências potenciais da quebra da teoria. "

p Diz Isi, "Pouco a pouco, os buracos negros revelarão seus mistérios, revolucionando nossa compreensão da gravidade, espaço, e tempo."