Pesquisadores do Instituto Max Planck de Física Gravitacional, O Rochester Institute of Technology e o Perimeter Institute for Theoretical Physics reuniram recentemente fortes evidências numéricas para um novo fenômeno que ocorre no interior de buracos negros binários. Em seu estudo, publicado em Cartas de revisão física , eles coletaram observações que poderiam oferecer um novo e excitante insight sobre a fusão de superfícies capturadas marginalmente externas (MOTSs) em um buraco negro binário (BBH), um sistema que consiste em dois buracos negros em órbita próxima um do outro.

"É um fato subestimado que horizontes de eventos não são realmente muito úteis para estudar propriedades astrofísicas de fusões de buracos negros, "Os pesquisadores disseram ao Phys.org por e-mail." O que é muito mais útil são as superfícies que recebem o nome chato de superfícies marginalmente externas presas (superfícies marginais ou MOTS em suma). Este nome desinteressante esconde sua importância na compreensão dos buracos negros. "

Nos últimos 15 a 20 anos, dois dos autores do artigo recente, Badri Krishnan e Erik Schnetter, desenvolveram maneiras de usar superfícies marginais para calcular, entre outras coisas, massa do buraco negro e momento angular. Apesar de suas conquistas nesta área, eles foram incapazes de responder a uma pergunta-chave:os MOTSs se fundem em uma coalescência BBH, e se, Como as, exatamente?

Os pesquisadores estavam ansiosos para saber mais sobre esta fusão, bem como para revelar quaisquer características topológicas interessantes que possam estar escondidas dentro dela. Daniel Pook-Kolb, outro autor do artigo e um Ph.D. estudante do Instituto Max Planck, assim, decidiu investigar este tópico mais profundamente em sua tese.

"Para entender a fusão, precisamos localizar superfícies marginais altamente distorcidas, uma tarefa numericamente desafiadora que derrotou todos os estudos anteriores, "disseram os pesquisadores." Desenvolvemos uma nova técnica numérica para essa tarefa e nos aproximamos cada vez mais do ponto de fusão. Ainda, mesmo nossos métodos não funcionam muito perto da fusão, onde aparecem superfícies com cúspides. "

Como os pesquisadores não conseguiram obter o insight que procuravam em seus estudos anteriores, eles continuaram procurando por caminhos diferentes para investigar a fusão de MOTSs em um sistema BBH. Eventualmente, Schnetter teve uma nova ideia para abordar este tópico, que envolvia a procura de superfícies com loops de interseção.

Quando ele propôs isso ao resto da equipe, Krishnan estava um tanto cético, como nenhuma literatura anterior havia explorado essa ideia antes, mas Pook-Kolb decidiu investigá-lo independentemente e procurar por tais superfícies. Eventualmente, descobriu-se que tais recursos topológicos existem, e que eles poderiam, na verdade, ser características genéricas de fusões de buracos negros.

Essencialmente, os pesquisadores simularam a colisão frontal de dois buracos negros não giratórios com massas desiguais. Nessas simulações, eles observaram que o MOTS associado ao buraco negro final resultante de uma fusão BBH se une às duas superfícies inicialmente disjuntas que correspondem aos dois buracos negros iniciais no sistema.

Isso resulta em uma sequência conectada de MOTSs interpolando entre o estado inicial e final do BBH, até que a fusão entre os dois buracos negros eventualmente ocorra. Em última análise, suas descobertas destacam uma mudança de topologia na fusão de superfícies marginais.

As observações recolhidas nas suas simulações também apontam para a existência de um MOTS com autointerseções que se forma imediatamente após a fusão. Os pesquisadores, Contudo, esperar que outra de suas descobertas tenha implicações muito maiores para futuras observações de ondas gravitacionais.

"Já que agora temos uma sequência de superfícies marginais nos levando dos dois buracos negros inicialmente desconexos para o final, podemos calcular em detalhes como as quantidades físicas de buracos negros se comportam durante a fusão, ", disseram os pesquisadores." Seria especialmente interessante encontrar características semelhantes nos sinais de ondas gravitacionais observados:podemos, então, legitimamente alegar que entendemos observacionalmente o que acontece dentro de um horizonte de eventos de buraco negro. "

A evidência numérica recolhida por Pook-Kolb, Schnetter, Krishnan e seu colega Ofek Birnholtz oferecem novos e fascinantes insights sobre as fusões BBH. No futuro, suas observações podem abrir caminho para novos estudos, incluindo tentativas de provar matematicamente a desigualdade de Penrose para configurações astrofísicas BBH genéricas.

Os pesquisadores agora planejam tentar generalizar sua ideia para outras fusões de buracos negros, como os observados pela colaboração LIGO. Isso poderia tornar a teoria que eles propuseram utilizável por uma comunidade de pesquisa muito maior.

"Estamos trabalhando para generalizar nossa ideia para fusões genéricas, e os primeiros resultados baseados na mesma teoria estão surgindo, "disseram os pesquisadores." Estamos extremamente entusiasmados para ver o que nos espera nas simulações de fusões realistas totalmente gerais! "

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