Os cientistas esperam que o futuro da detecção de ondas gravitacionais lhes permita observar diretamente um tipo misterioso de buraco negro.

Os detectores de ondas gravitacionais observaram evidências diretas de buracos negros com aproximadamente a massa de estrelas gigantes, enquanto o Event Horizon Telescope produziu uma imagem de um buraco negro supermassivo bilhões de vezes a massa do nosso Sol. Mas no meio existem buracos negros de massa intermediária, ou IMBHs, que têm entre 100 e 100.000 vezes a massa do Sol e ainda não foram observados diretamente.

Os pesquisadores esperam que seu novo trabalho matemático “abra o caminho” para futuras pesquisas sobre esses buracos negros usando detectores de ondas gravitacionais, de acordo com o artigo publicado hoje na Nature Astronomy.

Um trio de detectores de ondas gravitacionais na Terra – os dois detectores LIGO nos EUA e o Virgo na Itália – começaram a observar as ondulações no próprio espaço-tempo, chamadas ondas gravitacionais, que resultam de buracos negros girando em torno um do outro e depois se fundindo. O maior buraco negro já observado nessa fusão tinha 80 vezes a massa do Sol. Mas buracos negros mais pesados ​​produziriam um sinal com uma frequência muito baixa para os observatórios de hoje ouvirem. Buracos negros de massa intermediária podem estar no meio de coleções de estrelas chamadas aglomerados globulares, ou podem ser os precursores de buracos negros maiores nos centros galácticos. É difícil dizer.

“Estudei buracos negros por muito tempo e, quando comecei, eles quase pareciam mais um mito”

Pesquisadores liderados por Karan Jani, de Vanderbilt, descreveram como uma combinação dos próximos experimentos de ondas gravitacionais poderia ser usada para detectar pares de buracos negros de massa intermediária. Um futuro observatório de ondas gravitacionais baseado no espaço chamado LISA observaria os buracos negros espiralando uns nos outros nas frequências mais baixas. A parte mais alta da detecção, a própria fusão, apareceria em experimentos terrestres mais sensíveis. Para aumentar a sensibilidade do que podemos observar da Terra, os cientistas estão trabalhando em uma melhoria do LIGO chamada Voyager, bem como em dois novos detectores chamados Telescópio Einstein, em estudo na Europa, e o Cosmic Explorer, planejado para terras “sismicamente silenciosas” nos EUA.

A equipe comparou diferentes combinações de massas e distâncias dos buracos negros, quais experimentos seriam capazes de observá-los e como seria o sinal. Para pares de buracos negros de massa intermediária de 1.000 a 3.000 vezes a massa do Sol, o LISA e o Telescópio Einstein podem ver essas fusões originando-se a bilhões de anos-luz de distância (sendo uma distância menor para combinações mais pesadas ou combinações em que um buraco negro é substancialmente maior que o outro). A combinação possível mais sensível de instrumentos seria o LISA e o Telescópio Einstein, embora o LISA e o Voyager ainda possam levar a observações de buracos negros intermediários menores que 2.000 vezes a massa do Sol, de acordo com o artigo.

Em outras palavras, se existirem buracos negros intermediários e se eles se fundirem, os experimentos de ondas gravitacionais propostos deverão ser capazes de encontrá-los, e este artigo sugere como seus sinais podem ser. Além disso, já existem evidências indiretas de que existem buracos negros de massa intermediária, na forma de ondas de rádio de uma fonte chamada CO-0,40-0,22.

É um trabalho emocionante. “Este artigo é único porque é o primeiro que eu vi a calcular formas de onda IMBH de várias maneiras. Nossa comunidade sabia que, em geral, o LISA e a Voyager podem detectar esses binários, mas este documento fez os cálculos detalhados e forneceu as equações para fazê-lo”, Jillian Bellovary, professora assistente do Queensborough Community College, em Nova York, que estuda buracos negros, disse ao Gizmodo em um e-mail. “Esses cálculos ajudarão nossa comunidade a interpretar os sinais dos detectores de ondas gravitacionais; quanto mais cálculos de formas de onda tivermos, melhor entenderemos o que os detectores estão nos dizendo”.

Mas este trabalho é principalmente uma modelagem orientada por dados, e ainda não sabemos como os buracos negros comuns de massa intermediária são no universo. “É possível que eles não aconteçam durante a vida da missão LISA (quatro a 10 anos), se os IMBHs forem realmente raros”, disse Bellovary. “Não há como saber até que os detectores estejam online”. Isso exigirá realmente financiamento e construção dessas experiências novas ou atualizadas.

Mas uma coisa é clara: os físicos estão apenas arranhando a superfície da ciência observacional dos buracos negros, e ainda há um universo inteiro de objetos a descobrir.

“Estudei buracos negros por muito tempo e, quando comecei, eles quase pareciam mais um mito para as pessoas do que realidade”, disse Deirdre Shoemaker, autor do estudo e professor de física da Georgia Tech, ao Gizmodo por telefone. “Agora eles são tão onipresentes – é divertido ver todas as diferentes maneiras pelas quais os buracos negros se comportam no universo”.