Duas equipes independentes mostraram que as ondas gravitacionais que emanam dos restos distorcidos das fusões de buracos negros devem interagir entre si. Ao incluir esses efeitos não lineares em seus modelos, uma equipe, liderada por Keefe Mitman no Caltech, descobriram que podiam replicar sinais de ondas gravitacionais de buracos negros simulados com até 100 vezes mais precisão do que as abordagens anteriores. A outra equipe chegou a uma conclusão semelhante e foi liderada por Mark Ho Yeuk Cheung na Universidade Johns Hopkins
Após a fusão violenta e energética de dois buracos negros, o buraco negro distorcido que é criado deve rapidamente se estabelecer em um estado de equilíbrio. Para atingir esse estado estacionário, o objeto libera quantidades colossais de energia na forma de ondas gravitacionais (GWs), em um processo chamado ringdown de buraco negro.
Em 1973, uma equipe liderada por Saul Teukolsky foi o primeiro a modelar GWs de ringdown - mais de 40 anos antes dos primeiros GWs de fusão de buracos negros foram detectados pelo observatório LIGO. No entanto, na época, Teukolsky e seus colegas consideraram apenas pequenas distorções em buracos negros remanescentes, algo que agora sabemos não ser uma boa descrição do que acontece após uma fusão.
Grandes distorções
“Como as fusões de buracos negros são tão violentas, as distorções do buraco negro final costumam ser grandes”, explica Mitman. “Isso significa que devemos esperar efeitos não lineares [como] efeitos do GW interagindo consigo mesmo enquanto se propaga pelo espaço-tempo próximo ao buraco negro, gerando novas ondas”.
Apesar disso, os astrofísicos até agora mantiveram a ideia de que os efeitos não lineares devem ser muito pequenos para aparecer em sinais GW observáveis. Como resultado, eles ainda consideraram apenas os efeitos lineares calculados pela equipe de Teukolsky.
Em um novo estudo, Mitman, Teukolsky e seus colegas empregaram uma abordagem mais avançada para modelar ringdowns de buracos negros. Seguindo uma sugestão do membro da equipe Macarena Lagos na Universidade de Columbia, a equipe desenvolveu uma nova maneira de considerar como um modelo poderia descrever a auto-interação dos GWs emitidos após fusões de buracos negros.
Lagos explica: “Melhoramos o modelo GW incluindo interações não lineares da gravidade. Consideramos várias simulações numéricas de fusões de buracos negros, contendo interações lineares e não lineares. Em seguida, quantificamos o quão bem nosso modelo não linear reproduziu as simulações.”
modelo mais preciso
Assim como eles previram, a nova abordagem da equipe permitiu que eles replicassem sinais GW realistas com muito mais precisão do que antes. “Ao incluir esse termo não linear, em vez dos termos lineares mais familiares que Teukolsky ajudou a descobrir, podemos modelar com muito mais precisão os GWs criados em nossas simulações numéricas”, continua Mitman. “Isso significa que, quando os buracos negros atingem um estado estacionário, esse toque é um processo não linear”.
Ao analisar várias simulações de fusões de buracos negros, os pesquisadores descobriram que os efeitos não lineares podem representar até 10% dos sinais GW – tornando-os muito mais influentes do que estudos anteriores haviam assumido. Ao todo, isso significava que a equipe poderia modelar ringdowns de buracos negros cerca de 100 vezes mais precisos do que abordagens puramente lineares.
Cuidado necessário ao testar a relatividade geral de Einstein usando ondas gravitacionais
A equipe liderada por Cheung chegou a conclusões semelhantes e, juntos, os resultados podem ter implicações importantes para a capacidade dos astrônomos de sondar as estruturas internas dos buracos negros a partir dos sinais GW que eles emitem durante os ringdowns. “Para extrair informações físicas dos sinais GW, precisamos de modelos analíticos muito precisos que conectem as propriedades dos buracos negros aos recursos do sinal detectado”, explica Lagos. “Nossos resultados significam que os efeitos não lineares são realmente importantes e serão necessários para incluir em futuras detecções de GW”.
Com uma melhor compreensão de que o ringdown é de natureza não linear, a equipe espera que suas descobertas possam em breve ajudar os astrônomos a explicar melhor os comportamentos enigmáticos dos buracos negros.
Talvez o mais importante, eles também podem permitir que os pesquisadores testem a teoria geral da relatividade de Albert Einstein – que governa a dinâmica dos buracos negros – nos ambientes mais extremos conhecidos pela astrofísica. Com a precisão oferecida pelos modelos da equipe, esses testes podem finalmente se mostrar rigorosos o suficiente para levar a teoria de Einstein aos seus limites – o que pode permitir o surgimento de uma física nova e empolgante. No entanto, os astrofísicos terão que esperar até que a próxima geração de observatórios GW fique online porque não se espera que as instalações atuais do LIGO-Virgo sejam capazes de detectar efeitos não lineares.
A pesquisa é descrita em Cartas de revisão de física.
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- Fonte: https://physicsworld.com/a/gravitational-waves-from-merging-black-holes-go-nonlinear/
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