Cientistas captam uma enorme onda gravitacional que não deveria existir

Dois detectores separados por milhares de quilômetros captaram o mesmo sinal que corresponde à mais poderosa fonte de ondas gravitacionais observada até hoje. Como Albert Einstein previu há mais de um século, os fenômenos mais violentos do cosmos produzem essas ondulações do espaço-tempo ― o material de que o universo é feito ― que viajam à velocidade da luz em todas as direções como se fossem as ondulações de uma pedra jogada em um lago. Ao chegar à Terra depois de percorrerem distâncias cosmológicas incomensuráveis, essas ondas são tão fracas que Einstein duvidava de que pudessem ser captadas.

O sinal foi captado em 21 de maio de 2019 e durou apenas um décimo de segundo. Após mais de um ano de estudos, o padrão que essa vibração característica produziu nos feixes de luz laser dos detectores LIGO, nos Estados Unidos, e Virgo, na Itália, permitiu reconstituir como se deu esse fenômeno.

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A onda vem da fusão de dois buracos negros e seria a maior captada até hoje, conforme explicaram nesta quarta-feira, em dois estudos, os quase 2.000 cientistas de 19 países que trabalham com os dados dos dois detectores. A colisão ocorreu há cerca de 7 bilhões de anos ― antes da formação do sistema solar e da Terra ― quando um buraco negro com massa 85 vezes maior que a do nosso Sol colidiu com outro equivalente a 66 estrelas solares. O interessante é que com as leis da relatividade geral em mãos e o que se sabe da física das estrelas, esse fenômeno é impossível de ser explicado: ou a teoria da evolução estelar tem que ser alterada ou os buracos negros envolvidos têm origem desconhecida e ainda misteriosa.

Os buracos negros são corpos tão densos que sua força de gravidade atrai qualquer coisa que caia em suas bocarras, incluindo a luz, por isso são invisíveis. Após a colisão, esses dois monstros se devoraram e formaram um buraco negro com uma massa de 142 sóis. O restante da massa se transformou em energia que foi lançada em todas as direções, como a onda expansiva de uma bomba que viajou à velocidade da luz, dobrando o espaço e o tempo em sua passagem.

Os interferômetros a laser do LIGO e do Virgo, que funcionam como uma rede de pesca quilométrica feita com feixes de luz laser capazes de detectar vibrações no espaço-tempo até 10.000 vezes menores que o diâmetro de um átomo, captaram o sinal, já muito fraco, 7 bilhões de anos depois.

Este é provavelmente o achado mais importante neste campo desde a descoberta da primeira onda gravitacional em 2016 ― e os criadores do LIGO ganharam o Prêmio Nobel de Física apenas um ano depois. Toni Font, físico teórico da Universidade de Valência e colaborador do Virgo, explica o porquê: “Até agora, todas as fusões de buracos negros e estrelas de nêutrons que haviam sido captadas tinham sabor de creme; agradavam a quase todos os físicos porque correspondiam ao que era de esperar”. A fusão anunciada hoje é como um sorvete de feijoada: raro, possível e não apreciado por muitos porque os tira de sua zona de conforto. “Hoje não estamos preparados para entender esse fenômeno e não podemos responder às inúmeras questões que ele nos deixa”, explica Font. “O mais interessante é que o resultado dessa fusão é um buraco de 142 massas solares, algo nunca observado e que por enquanto também não conseguimos entender”, destaca.

No mundo dos buracos negros existem duas grandes categorias. A primeira é composta pelos de massa estelar, que se formam quando uma estrela morre e seu cadáver colapsa sobre si mesma para formar o buraco negro. Normalmente, não excedem algumas dezenas de massas solares. A segunda categoria é a dos buracos negros supermassivos, monstros descomunais com massas de centenas de milhares de estrelas como o Sol que se escondem no centro das galáxias, incluindo a nossa. Entre esses dois tipos existe um enorme espaço vazio. Mal se conhecem buracos negros na faixa intermediária entre os dois tipos mencionados.

De acordo com a física estelar e a relatividade de Einstein, quando uma estrela de 65 a 120 massas solares morre, explode como uma bomba sem deixar rastros. É por isso que os dois buracos negros intuídos pelos detectores, de 85 e 66 massas solares, e seu produto final, não podem ser o resultado de uma morte estelar: devem ter uma origem alternativa que permita múltiplas explicações, das mais conservadoras até algumas que poderiam merecer outro Nobel e revolucionar nossa compreensão do universo.

Os cientistas que atuam em colaboração analisam o sinal e reconstroem com computadores poderosos todos os fenômenos que poderiam tê-lo produzido, sempre agindo de acordo com as regras da relatividade geral de Einstein. Em dois estudos, publicados nesta quarta-feira, na Physical Review Letters e na Astrophysical Journal Letters, eles dizem que a explicação mais provável é que se trata de uma fusão. Como foi possível a formação de dois buracos negros teoricamente impossíveis? “Ou a teoria da evolução estelar com que lidamos está incompleta e temos que reescrevê-la, ou os dois buracos negros envolvidos não provêm de estrelas que morreram, mas se formaram em fusões anteriores de buracos negros menores”, explica Font.

A segunda opção seria possível em certas regiões do universo conhecidas como cúmulos globulares, esferas descomunais formadas por milhares de estrelas. Muitas deles morrem e formam milhares de buracos negros que estariam perto o suficiente para se encontrar, se atrair, colidir e se fundir.

As incógnitas sobre esta onda são maiores do que com as anteriores. Normalmente, dois buracos negros que gradualmente aproximam suas órbitas até colidirem produzem ondas que duram mais e cuja frequência vai aumentando, no que os físicos do LIGO e do Virgo chamam de “piar de pássaro”, que termina em um pico alto. Os cientistas traduziram essas ondas em som para poder escutá-las em outras ocasiões. O piar prévio fornece boa parte da informação sobre as massas, rotação e distância dos dois buracos negros. Nessa ocasião, não foi possível captar o piar prévio, somente o momento final da fusão, um décimo de segundo que oculta muitos dos detalhes sobre o que o produziu e como, explica Font.

Muito mais improváveis, mas também mais estimulantes porque adentram plenamente o desconhecido, são duas explicações alternativas abordadas no segundo estudo. A primeira diz que estamos diante de buracos negros primordiais, coágulos de matéria formados segundos depois do nascimento do universo, após o Big Bang ― há 13,7 bilhões de anos ―, e que seriam feitos de matéria escura. Para que o universo tenha a aparência e o comportamento que tem, 85% de toda a matéria tem que ser escura, mas nunca foi possível averiguar do que é feita. Conseguir isso seria um achado histórico, digno de Nobel.

Na década de 1970, Stephen Hawking e Bernard Carr propuseram a existência desses buracos negros tão minúsculos que sua massa não ultrapassaria a de uma montanha; mas eles concluíram que todos eles já haviam evaporado. Posteriormente, os físicos teóricos Juan García-Bellido, da Universidade Autônoma de Madrid, e Sébastien Clesse, da Universidade de Louvain, propuseram que poderiam existir buracos negros primordiais de dezenas de massas solares e que juntos poderiam constituir toda a matéria escura do universo, ou pelo menos parte dela.

O achado de agora ressuscita essa teoria, mas ela é brecada de imediato, pois os cientistas alertam que a possibilidade de serem buracos primordiais é muito, muito remota. “Com estes dados não podemos afirmar que sejam buracos primordiais, apenas que não podemos descartar essa possibilidade”, opina García-Bellido. “Provavelmente precisamos reanalisar os dados com outras premissas e esperar que mais fenômenos desse tipo sejam detectados”, destaca.

Outra das possibilidades menos prováveis, mas espantosa, é que a origem desta onda gravitacional mais poderosa da história seja uma corda cósmica, uma espécie de fio unidimensional formado em frações de segundo após o Big Bang e que, por enquanto, só existe no papel, fruto das teorias de alguns físicos. “É extremamente improvável que esse evento tenha sido produzido por uma corda cósmica”, escrevem os cientistas com cautela em seu segundo estudo. para concluir que a opção mais provável é aquela que se encaixa no que tem sido observado desde 2016: a fusão de dois buracos negros. Voltando aos sorvetes, Font reconhece que ainda existem tantas incógnitas que o mais prudente para a colaboração científica tem sido ficar com o de creme, por enquanto.