Onda gravitacional GW250114 revela assinatura do horizonte de acontecimentos de um buraco negro

Toda a gente sabe que nenhuma informação consegue escapar a um buraco negro.

Ainda assim, uma onda gravitacional a propagar-se para fora após a colisão colossal de dois buracos negros muito massivos pode ter-nos levado até ao limite - trazendo o primeiro indício alguma vez registado de um horizonte de acontecimentos.

Há muito que os cientistas defendiam que uma onda gravitacional designada por onda directa poderia transportar informação sobre as propriedades do horizonte de acontecimentos.

Agora, essa onda terá sido finalmente identificada.

Se isto lhe soa a ficção científica, não é o único.

"O horizonte de acontecimentos não é algo que possamos ver directamente com luz, porque, por definição, nada escapa do seu interior. Mas as ondas gravitacionais dão-nos um caminho diferente", disse ao ScienceAlert o físico teórico Sizheng Ma, do Perimeter Institute, no Canadá.

"Quando dois buracos negros orbitam um ao outro e se fundem, este processo violento perturba o próprio espaço-tempo na região muito próxima do horizonte do buraco negro final. Algumas dessas vibrações do espaço-tempo podem viajar para fora como ondas gravitacionais e, por fim, chegar aos nossos detectores.

"Muitas vezes achamos entusiasmante que algo que outrora parecia quase ficção científica - isto é, usar observações para aprender sobre os horizontes de buracos negros - tenha passado a ser algo que podemos realmente fazer."

O que é (e o que não é) o horizonte de acontecimentos

O horizonte de acontecimentos não é o buraco negro em si, mas sim a fronteira que separa o Universo visível da região que fica para lá do alcance de um buraco negro.

Essa fronteira é o "ponto sem retorno": a partir daí, a gravidade do objecto torna-se tão intensa que nem a luz no vácuo é rápida o suficiente para atingir a velocidade de fuga. O horizonte de acontecimentos não emite, não reflecte e não dispersa luz. Qualquer coisa que o atravesse deixa de poder enviar luz de volta até nós.

Por esse motivo, nem o horizonte de acontecimentos nem o que existe para lá dele podem ser observados de forma directa. Tudo o que sabemos sobre horizontes de acontecimentos resulta de observações indirectas dos seus efeitos no espaço à sua volta.

Ondas gravitacionais, espiralamento final e modos quase-normais

É aqui que entram as ondas gravitacionais: ondulações gravitacionais no tecido do espaço-tempo, geradas quando objectos muito massivos - como buracos negros - colidem e se fundem, e que conseguimos detectar aqui na Terra.

O sinal associado a uma fusão é complexo. Primeiro, há o espiralamento final, quando os dois buracos negros entram nas derradeiras fases de aproximação antes do choque; depois, no pós-colisão, o buraco negro recém-formado vibra como um sino.

As ondas dessa fase de amortecimento são conhecidas como modos quase-normais e são determinadas pela massa e pelo spin do buraco negro - e é assim que os cientistas conseguem extrair essas propriedades a partir de um evento de ondas gravitacionais.

Contudo, os modos quase-normais estão sobretudo ligados ao anel de luz fora do horizonte de acontecimentos, e não ao próprio horizonte.

Trabalhos teóricos recentes sugeriram, então, uma forma mais directa de sondar o horizonte de acontecimentos: a onda directa, que deverá estar misturada com os modos quase-normais.

Segundo esta proposta, à medida que a fusão dos dois buracos negros se completa, a dinâmica orbital deixa de ser governada por dois objectos e passa a ser dominada por um único corpo, o buraco negro final.

A gravidade extrema do buraco negro arrasta literalmente o espaço-tempo com a sua rotação; a gravidade provoca um desvio para o vermelho e suprime sinais que tentem sair; e é emitida uma única onda, a oscilar com quase o dobro da frequência de rotação do horizonte - essa é a onda directa.

"À medida que tudo se aproxima do horizonte de um buraco negro em rotação, é arrastado para um movimento extremamente rápido à sua volta. Mas, ao mesmo tempo, o sinal que nos enviam desvanece-se muito depressa devido à forte gravidade do buraco negro", explicou Ma.

"Por isso, o que vemos é um redemoinho final, rápido, que perde brilho muito rapidamente, junto ao horizonte."

A onda directa no evento GW250114 - e o que poderá permitir

É difícil exagerar o quão subtis são os sinais das ondas gravitacionais. Quando chegam à Terra, esticam e comprimem o espaço-tempo em menos do que a largura de um núcleo atómico.

Por isso, para Ma e os seus colegas encontrarem o sinal que procuravam, foi necessário um evento de ondas gravitacionais invulgarmente intenso. Esse evento foi o GW250114 - o sinal de ondas gravitacionais mais nítido recebido até hoje.

Quando começaram a extrair o sinal dos dados, os investigadores mantiveram cautela. Apesar de a teoria ser sólida, a complexidade dos dados de ondas gravitacionais implica que existe sempre o risco de um falso positivo.

"A nossa reacção inicial foi mista", disse Ma.

"Mas, depois das verificações preliminares, os dados comportaram-se de forma notável - na verdade, exactamente como a teoria previa. O evento foi invulgarmente forte e limpo, e a forma como o sinal evoluiu coincidiu com a assinatura esperada da onda directa, calculada a partir do nosso modelo teórico.

"Foi nesse momento que o ambiente mudou de 'Isto pode ser interessante' para 'Uau, isto pode mesmo ser real.'"

O resultado ainda precisa de ser testado com outros sinais de ondas gravitacionais. E o trabalho teórico também será ajustado e refinado, agora que os cientistas têm um resultado observacional com o qual o podem comparar.

Mas, se vier a ser confirmado, este avanço da equipa abre uma via totalmente nova para estudar buracos negros.

Por exemplo, o sinal de onda directa pode ser analisado para medir a rapidez com que o horizonte de acontecimentos está a rodar e com que velocidade a gravidade faz a informação esmorecer.

"Durante muito tempo, conseguimos descrever os horizontes de acontecimentos de buracos negros de forma belíssima na relatividade geral, mas tínhamos formas muito limitadas de os sondar observacionalmente", explica Ma.

"Este novo componente nas ondas gravitacionais está a mudar isso. Este resultado abre um caminho para estudar mais directamente a região perto do horizonte e, no futuro, com mais eventos e detectores mais sensíveis, poderá ajudar-nos a fazer testes mais rigorosos da relatividade geral e a construir uma compreensão mais profunda da física dos buracos negros."

E, se for validado, este resultado representará a maior proximidade a que os cientistas já chegaram de sondar a vizinhança imediata do horizonte de acontecimentos de um buraco negro.

Além disso, esta investigação pode alterar a forma como estudamos e compreendemos alguns dos objectos mais misteriosos do Universo.

"Estamos a chegar mais perto do que nunca do horizonte do buraco negro", afirmou Ma.

"Os buracos negros pareciam ser objectos que só conseguíamos compreender de forma indirecta, através dos seus efeitos sobre o que os rodeia. Mas, com as ondas gravitacionais, podemos escutar os momentos finais de uma fusão e procurar assinaturas da região mesmo ao lado do horizonte.

"Essa sensação de alcançar um lugar que antes estava completamente fora do alcance observacional é realmente entusiasmante."

As conclusões foram publicadas na revista Nature.