Nos últimos 6 anos, observatórios de ondas gravitacionais têm detectado fusões de buracos negros, verificando uma grande previsão da teoria da gravidade de Albert Einstein.

Mas há um problema, muitos desses buracos negros são inesperadamente grandes. Agora, uma equipe de pesquisadores da Universidade do Havaí em Manoa, da Universidade de Chicago e da Universidade de Michigan em Ann Arbor propôs uma nova solução para este problema: os buracos negros crescem junto com a expansão do universo.

A primeira imagem renderizada de um buraco negro, iluminado por matéria em queda. Neste estudo, os pesquisadores propuseram um modelo em que esses objetos podem ganhar massa sem a adição de matéria: Eles podem se acoplar cosmologicamente ao crescimento do próprio universo. Crédito da imagem: Jean-Pierre Luminet, "Image of a Spherical Black Hole with Thin Accretion Disk", Astronomy and Astrophysics 75 (1979): 228–35.

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Desde a primeira observação de buracos negros em fusão pelo Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) em 2015, os astrônomos têm sido repetidamente surpreendidos por suas grandes massas. Embora não emitam luz, as fusões dos buracos negros são observadas por meio da emissão de ondas gravitacionais, ondulações na estrutura do espaço-tempo que foram previstas pela teoria da relatividade geral de Einstein. Os físicos esperavam originalmente que os buracos negros teriam massa inferior a cerca de 40 vezes a do Sol, porque os buracos negros em fusão surgem de estrelas massivas, que não podem se manter unidas se ficarem muito grandes.

Os observatórios LIGO e Virgo, entretanto, encontraram muitos buracos negros com massas maiores do que a de 50 sóis, com alguns tão massivos quanto 100 sóis. Numerosos cenários de formação foram propostos para produzir tais buracos negros grandes, mas nenhum cenário único foi capaz de explicar a diversidade de fusões de buracos negros observadas até agora, e não há consenso sobre qual combinação de cenários de formação é fisicamente viável. Este novo estudo, publicado no Astrophysical Journal Letters, é o primeiro a mostrar que grandes e pequenas massas de buracos negros podem resultar de um único caminho, em que os buracos negros ganham massa com a expansão do próprio universo.

Os astrônomos normalmente modelam buracos negros dentro de um universo que não pode se expandir. "É uma suposição que simplifica as equações de Einstein porque um universo que não cresce tem muito menos para controlar", disse Kevin Croker, professor do Departamento de Física e Astronomia da Universidade de Manao. "Porém, há uma compensação: as previsões podem ser razoáveis apenas por um período limitado de tempo."

Como os eventos individuais detectáveis pelo LIGO/Virgo duram apenas alguns segundos, ao analisar qualquer evento único, essa simplificação é sensata. Mas essas mesmas fusões estão potencialmente ocorrendo há bilhões de anos. Durante o tempo entre a formação de um par de buracos negros e sua eventual fusão, o universo cresce profundamente. Se os aspectos mais sutis da teoria de Einstein forem considerados cuidadosamente, surge uma possibilidade surpreendente: as massas de buracos negros podem crescer em sincronia com o universo, um fenômeno que Croker e sua equipe chamam de acoplamento cosmológico.

O exemplo mais conhecido de material cosmologicamente acoplado é a própria luz, que perde energia à medida que o universo cresce. "Pensamos em considerar o efeito oposto", disse o co-autor da pesquisa e Professor de Física e Astronomia da UH Manoa, Duncan Farrah. "O que LIGO/Virgo observaria se os buracos negros estivessem cosmologicamente acoplados e ganhassem energia sem precisar consumir outras estrelas ou gás?"

Para investigar essa hipótese, os pesquisadores simularam o nascimento, a vida e a morte de milhões de pares de grandes estrelas. Quaisquer pares em que ambas as estrelas morreram para formar buracos negros foram então associados ao tamanho do universo, começando na hora de sua morte. À medida que o universo continuava a crescer, as massas desses buracos negros cresciam à medida que espiralavam em direção uma à outra. O resultado não foi apenas buracos negros mais massivos quando se fundiram, mas também muito mais fusões. Quando os pesquisadores compararam os dados do LIGO/Virgo com suas previsões, eles concordaram razoavelmente bem. "Devo dizer que não sabia o que pensar no início", disse o co-autor da pesquisa e professor da Universidade de Michigan, Gregory Tarlé. "Foi uma ideia tão simples, fiquei surpreso por ter funcionado tão bem."

De acordo com os pesquisadores, esse novo modelo é importante porque não requer nenhuma mudança em nosso entendimento atual da formação estelar, evolução ou morte. O acordo entre o novo modelo e nossos dados atuais vem simplesmente de reconhecer que buracos negros realistas não existem em um universo estático. Os pesquisadores tiveram o cuidado de enfatizar, no entanto, que o mistério do LIGO/Virgo, os enormes buracos negros está longe de ser resolvido.

"Muitos aspectos da fusão de buracos negros não são conhecidos em detalhes, como os ambientes de formação dominante e os intrincados processos físicos que persistem ao longo de suas vidas", disse o co-autor da pesquisa e bolsista do Hubble da NASA, Dr. Michael Zevin. "Embora tenhamos usado uma população estelar simulada que reflete os dados que temos atualmente, há muito espaço de manobra. Podemos ver que o acoplamento cosmológico é uma ideia útil, mas ainda não podemos medir a força desse acoplamento."

O co-autor da pesquisa e Professor de Física e Astronomia UH Manoa, Kurtis Nishimura, expressou seu otimismo para testes futuros desta nova ideia, "Como os observatórios de ondas gravitacionais continuarão a melhorar a sensibilidade ao longo da próxima década, o aumento da quantidade e qualidade dos dados permitirá novas análises técnicas. Isso será medido em breve."

Mais informações:

Kevin S. Croker et al, Cosmologically Coupled Compact Objects: A Single-parameter Model for LIGO–Virgo Mass and Redshift Distributions, The Astrophysical Journal Letters (2021). DOI: 10.3847/2041-8213/ac2fad

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Referência:

New study proposes expansion of the universe directly impacts black hole growth. Phys Org, 03, nov. 2021. Disponível em: <https://phys.org/news/2021-11-expansion-universe-impacts-black-hole.html>. Acesso em: 04, nov. 2021.