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    Uma nova missão espacial pode ajudar os físicos a responder perguntas complicadas sobre buracos negros

    Uma ilustração de um buraco negro supermassivo. Crédito:NASA/JPL


    Os físicos consideram os buracos negros um dos objetos mais misteriosos que existem. Ironicamente, eles também são considerados um dos mais simples. Durante anos, físicos como eu procuraram provar que os buracos negros são mais complexos do que parecem. E uma missão espacial europeia recentemente aprovada, chamada LISA, irá ajudar-nos nesta caçada.



    Pesquisas da década de 1970 sugerem que é possível descrever de forma abrangente um buraco negro usando apenas três atributos físicos:massa, carga e rotação. Todas as outras propriedades destas estrelas massivas moribundas, como a sua composição detalhada, densidade e perfis de temperatura, desaparecem à medida que se transformam num buraco negro. Eles são tão simples assim.

    A ideia de que os buracos negros têm apenas três atributos é chamada de teorema “sem cabelo”, o que implica que eles não possuem nenhum detalhe “peludo” que os torne complicados.

    Buracos negros peludos?


    Durante décadas, investigadores da comunidade astrofísica exploraram lacunas ou soluções alternativas dentro dos pressupostos do teorema da ausência de cabelo para chegar a potenciais cenários complicados de buracos negros. Um buraco negro peludo tem uma propriedade física que os cientistas podem medir – em princípio – que vai além da sua massa, carga ou rotação. Esta propriedade deve ser uma parte permanente da sua estrutura.

    Há cerca de uma década, Stefanos Aretakis, físico atualmente na Universidade de Toronto, mostrou matematicamente que um buraco negro contendo a carga máxima que poderia conter – chamado buraco negro com carga extrema – desenvolveria “cabelos” no seu horizonte. O horizonte de um buraco negro é a fronteira onde qualquer coisa que o atravesse, mesmo a luz, não pode escapar.
    Os buracos negros são objetos astronômicos enormes e misteriosos.

    A análise de Aretakis foi mais um experimento mental usando um cenário físico altamente simplificado, portanto não é algo que os cientistas esperam observar astrofisicamente. Mas os buracos negros sobrecarregados podem não ser o único tipo que pode ter cabelo.

    Como se sabe que objetos astrofísicos, como estrelas e planetas, giram, os cientistas esperam que os buracos negros também girem, com base em como se formam. Evidências astronômicas mostram que os buracos negros têm spin, embora os pesquisadores não saibam qual é o valor típico de spin de um buraco negro astrofísico.

    Usando simulações de computador, minha equipe descobriu recentemente tipos semelhantes de cabelos em buracos negros que giram à velocidade máxima. Esse cabelo tem a ver com a taxa de mudança, ou gradiente, da curvatura do espaço-tempo no horizonte. Também descobrimos que um buraco negro não teria de estar em rotação máxima para ter cabelo, o que é significativo porque estes buracos negros em rotação máxima provavelmente não se formam na natureza.

    Detectando e medindo cabelos


    A minha equipa queria desenvolver uma forma de medir potencialmente este cabelo – uma nova propriedade fixa que pudesse caracterizar um buraco negro para além da sua massa, rotação e carga. Começámos a investigar como uma propriedade tão nova poderia deixar uma assinatura numa onda gravitacional emitida por um buraco negro em rotação rápida.

    Uma onda gravitacional é uma pequena perturbação no espaço-tempo, normalmente causada por violentos eventos astrofísicos 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 com Interferômetro Laser nos Estados Unidos, detecta rotineiramente essas ondas.
    As naves espaciais LISA observam ondas gravitacionais de uma fonte distante enquanto orbitam o sol. Crédito:Simon Barke/Univ. Flórida, CC BY

    Nossos estudos recentes sugerem que é possível medir esses atributos complicados a partir de dados de ondas gravitacionais para buracos negros de rotação rápida. Observar os dados das ondas gravitacionais oferece uma oportunidade para uma espécie de assinatura que pode indicar se o buraco negro tem esse tipo de cabelo.

    Os nossos estudos em curso e os progressos recentes feitos por Som Bishoyi, um estudante da equipa, baseiam-se numa mistura 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.

    LISA recebe autorização


    Em janeiro de 2024, a Agência Espacial Europeia adotou formalmente a missão da Antena Espacial de Interferômetro Laser baseada no espaço, ou LISA. LISA procurará ondas gravitacionais, e os dados da missão poderão ajudar minha equipe com nossas complicadas questões sobre buracos negros.

    A adoção formal significa que o projeto tem autorização para passar para a fase de construção, com lançamento previsto para 2035. LISA consiste em três espaçonaves configuradas em um triângulo equilátero perfeito que seguirá atrás da Terra ao redor do sol. As espaçonaves estarão separadas por 1,6 milhão de milhas (2,5 milhões de quilômetros) e trocarão raios laser para medir a distância entre si até cerca de um bilionésimo de polegada.

    O LISA detectará ondas gravitacionais de buracos negros supermassivos que são milhões ou até bilhões de vezes mais massivos que o nosso sol. Ele construirá um mapa do espaço-tempo em torno dos buracos negros em rotação, o que ajudará os físicos a entender como a gravidade funciona nas proximidades dos buracos negros com um nível de precisão sem precedentes. Os físicos esperam que o LISA também seja capaz de medir quaisquer atributos complicados que os buracos negros possam ter.

    Com o LIGO fazendo novas observações todos os dias e o LISA oferecendo uma visão do espaço-tempo em torno dos buracos negros, agora é um dos momentos mais emocionantes para ser um físico de buracos negros.

    Fornecido por The Conversation


    Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.




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