A fusão de buracos negros mais massiva já registrada é observada pelo LIGO

• O consórcio LIGO-Virgo-KAGRA detectou a fusão de buracos negros mais massiva já observada por ondas gravitacionais
• A fusão formou um buraco negro com cerca de 225 massas solares
• Trata-se de uma massa elevada que não pode ser explicada pelas teorias padrão de evolução estelar, colocando à prova os limites da teoria e das observações
• Segundo os cientistas envolvidos, a rotação extrema e a análise complexa do sinal devem impulsionar o avanço das pesquisas sobre buracos negros e o desenvolvimento de algoritmos
• A observação representa um novo ponto de virada na análise de dados, na tecnologia dos instrumentos e no avanço teórico da astronomia de ondas gravitacionais

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LIGO, Virgo e KAGRA detectam a fusão de buracos negros mais massiva já registrada

O consórcio LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) descobriu, com o uso dos observatórios LIGO apoiados pela National Science Foundation (NSF) dos EUA, o fenômeno de fusão de buracos negros mais massivo já observado por ondas gravitacionais. O buraco negro final formado nessa fusão tem cerca de 225 massas solares. O sinal de onda gravitacional recebeu o nome de GW231123 e foi detectado em 23 de novembro de 2023, durante o quarto período de observação da rede LVK.

História e evolução do LIGO

O LIGO ganhou grande destaque em 2015 ao realizar a primeira observação direta de ondas gravitacionais, quando também detectou um buraco negro de 62 massas solares após uma colisão de buracos negros. Os dois detectores gêmeos do LIGO, localizados em Livingston, Louisiana, e Hanford, Washington, captaram esse sinal em conjunto. Depois disso, o LIGO passou a colaborar com o Virgo, da Itália, e o KAGRA, do Japão, formando o consórcio LVK. Desde 2015, mais de 300 eventos de fusão de buracos negros foram observados ao longo de quatro ciclos de observação.

O mais recente evento recordista

Antes disso, a maior fusão de buracos negros em termos de massa havia sido o evento GW190521, de 2021, com massa total equivalente a 140 vezes a do Sol. No evento GW231123, dois buracos negros com cerca de 100 e 140 massas solares se uniram para formar um buraco negro de 225 massas solares. A estimativa é que esses buracos negros girassem em velocidades extremamente altas.

Mark Hannam, do consórcio LVK, afirmou que "esse sistema binário de buracos negros observado é difícil de explicar com as teorias existentes de evolução estelar e pode indicar que tenha se originado de fusões hierárquicas de buracos negros menores". Dave Reitze, do LIGO, comentou que "as observações de ondas gravitacionais trouxeram grandes avanços para revelar a natureza dos buracos negros e as características exóticas do universo".

Novo recorde e desafio científico

A alta massa e a rotação extrema observadas no GW231123 colocam à prova os limites atuais das tecnologias de detecção de ondas gravitacionais e dos modelos teóricos. Como a rotação se aproxima do limite permitido pela teoria da relatividade geral de Einstein, a interpretação e a modelagem do sinal se tornam extremamente difíceis. Charlie Hoy, da Universidade de Portsmouth, avaliou que "este caso oferece uma oportunidade importante para avanços nas ferramentas teóricas e no desenvolvimento de algoritmos".

Os pesquisadores esperam que sejam necessários anos para decifrar completamente o padrão e o significado desse sinal. Gregorio Carullo, da Universidade de Birmingham, analisou que "a própria fusão é a explicação mais provável, mas os fenômenos complexos que não são explicados pelas teorias existentes também podem conter pistas para novas interpretações".

Expandindo os limites da astronomia de ondas gravitacionais

Detectores de ondas gravitacionais como o LIGO, Virgo e KAGRA medem minúsculas deformações no espaço-tempo causadas por fenômenos físicos gigantescos no universo. Esse quarto ciclo de observação começou em maio de 2023, e dados adicionais devem ser divulgados no verão de 2024. Sophie Bini, do Caltech, explicou que "este evento é um exemplo real de como superar os limites atuais da análise de dados e da tecnologia dos instrumentos, além de indicar muitas possibilidades para futuras pesquisas em astronomia de ondas gravitacionais".

Os resultados do GW231123 serão apresentados na conferência GR24/Amaldi, que acontecerá de 14 a 18 de julho de 2025 em Glasgow, na Escócia. Os dados de calibração usados no GW231123 serão disponibilizados por meio do Gravitational Wave Open Science Center (GWOSC), permitindo que cientistas do país e do exterior os utilizem em pesquisas adicionais.

Sobre o consórcio LIGO-Virgo-KAGRA

• O LIGO é operado pelo Caltech e pelo MIT com apoio da NSF dos EUA, e recebe suporte importante da Alemanha (Max Planck Society), do Reino Unido (Science and Technology Facilities Council) e da Austrália (Australian Research Council). Mais de 1.600 cientistas do mundo todo participam da iniciativa
• A Virgo Collaboration é composta por cerca de 880 pessoas de 152 instituições em 17 países da Europa. O detector Virgo, localizado perto de Pisa, na Itália, recebe apoio conjunto do EGO (European Gravitational Observatory), do CNRS (Centro Nacional de Pesquisa Científica da França), do INFN (Instituto Nacional de Física Nuclear da Itália) e do Nikhef (Instituto Nacional de Física Subatômica da Holanda)
• O KAGRA está localizado em Kamioka, Gifu, no Japão, com um interferômetro a laser de 3 km em túnel subterrâneo, e é liderado em conjunto pelo ICRR da Universidade de Tóquio (Instituto de Pesquisa de Raios Cósmicos), pelo Observatório Astronômico Nacional do Japão (NAOJ) e pelo KEK (Organização de Pesquisa de Aceleradores de Alta Energia). Participam mais de 400 pessoas de 128 instituições em 17 países e regiões

Informações adicionais e materiais de pesquisa podem ser consultados nos sites oficiais de cada instituição.

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Comentários do Hacker News

• Um buraco negro de cerca de 225 massas solares implica que ele foi formado pela fusão de buracos negros de cerca de 100 e 140 massas solares, então fico me perguntando se 15 massas solares foram convertidas em energia, porque isso é uma quantidade absurda de energia
  • Pode-se dizer que a arma nuclear Tsar Bomba converteu cerca de 2,3 kg de matéria em energia; uma massa solar é cerca de 2 x 10^30 kg, então este evento liberou o equivalente energético de 10^31 Tsar Bombas; esse número é tão pouco intuitivo que pensei de outro jeito: o Sol emite apenas cerca de 0,034% de sua massa como energia durante toda a sua vida, ou seja, a energia de uma massa solar equivale à vida inteira de 3.000 sóis; a energia liberada neste evento equivale à energia total emitida ao longo da vida de cerca de 45.000 sóis; acho que a maior parte disso foi liberada nos últimos segundos da fusão; referência: material de apoio para cálculo de conversão de energia, material de apoio para perda de massa solar
  • Isso significaria que foi convertida em energia e saiu do buraco negro, mas não entendo bem como isso acontece se nem a luz consegue escapar de um buraco negro; se for na forma de ondas gravitacionais, então a conclusão óbvia é que a maior parte da energia escapa desse jeito; não é preciso esperar pela radiação Hawking
  • Fico curioso sobre em que forma de energia essa massa é convertida
  • Dá para imaginar, mas é mais energia do que todas as estrelas do universo observável emitem naquele instante
  • Sim, e ainda assim a gravidade é tão fraca que essa energia monstruosa aparece como uma contração relativa do tamanho de um fio de cabelo na distância entre a Terra e a Lua (menos de 10^-20)
• Esse fenômeno é realmente fascinante: “os buracos negros estão girando muito rápido, quase chegando ao limite permitido pela relatividade geral”, explicou Charlie Hoy, da University of Portsmouth; isso dificulta a modelagem e a interpretação do sinal; este caso é um excelente estudo de caso para avançar o desenvolvimento de ferramentas teóricas
  • Parece que a natureza nos deu um teste de estresse da relatividade geral
  • Fico me perguntando se apenas o fato de um corpo esférico girar já gera ondas gravitacionais
• Na proposta de orçamento da NSF feita há um mês, havia a possibilidade de fechar um dos dois observatórios LIGO nos EUA, o que prejudicaria muito a capacidade de triangular a posição de eventos como essa fusão de buracos negros; o fechamento também causaria um impacto sério nos limites de ruído e na taxa de detecção; queria saber se alguém sabe se esse plano de fechamento ainda vai se concretizar, link de referência
  • A proposta de orçamento será analisada amanhã (15 de julho, 12:00); o orçamento atual da NSF é de cerca de US$ 7 bilhões, um corte de 23% em relação ao FY2025; não sei exatamente qual será o impacto sobre o LIGO, link com detalhes do orçamento
  • Na semana passada participei do evento virgo ego em Pisa (primo do LIGO, por assim dizer); foi uma celebração pelos 10 anos da descoberta das ondas gravitacionais, com um ator lendo um livro escrito pelo diretor do programa na Itália e sons de ondas tocados no saxofone; não consigo expressar em palavras como foi emocionante; também houve um momento para entrevistar o diretor do centro Virgo e uma divulgadora científica, e o diretor estava bem revoltado com a possibilidade de cortes no orçamento do LIGO; com razão
  • Precisamos continuar acompanhando se o orçamento final do FY 2026 vai manter os dois LIGOs; até lá, o risco ainda é real, mas ainda não é uma situação totalmente irreversível
  • Atualmente há alguns detectores de ondas gravitacionais operando no mundo; então fico curioso por que o fechamento de um LIGO seria tão crítico para a triangulação
  • Talvez o fato de esta descoberta de 2023 só estar sendo publicada agora em artigo tenha a ver com isso
• Eu realmente precisava de uma boa notícia; queria pedir algo que estimulasse a imaginação sobre se há algum caminho para que esse tipo de descoberta um dia possa ser usado de forma prática para melhorar a vida humana, mesmo que muito indiretamente; não é uma discussão sobre “a utilidade da pesquisa básica”, concordo que ela já tem valor por si só, mas tenho dificuldade de imaginar como isso poderia ser útil no longo prazo
  • Não sou especialista, só alguém interessado, mas certamente há lados positivos nesse avanço; um deles é que as ondas gravitacionais podem servir como sinais que nos contam sobre eventos do universo primitivo; por exemplo, o fundo cósmico de micro-ondas (CMB) é um sinal de fótons iniciais emitidos logo após o Big Bang/inflação, mas o universo foi opaco a fótons durante seus primeiros 300 mil anos, e ainda assim temos testado e refutado teorias cosmológicas com esses dados; já as ondas gravitacionais, ao contrário dos fótons, não são bloqueadas por nada e podem carregar sinais desde o momento da criação do universo, então podem nos dar informações ainda mais claras; isso pode trazer novos insights para a física fundamental, como mecânica quântica e relatividade; acho que isso também leva à astronomia multimensageira, observando eventos com fótons, neutrinos e ondas gravitacionais, o que pode gerar percepções ainda mais profundas; como há muitos exemplos de avanços em física fundamental que melhoraram a vida na Terra no longo prazo, dá para ter uma visão otimista; espero que isso ajude a manter a esperança de que o mundo possa melhorar um pouco
  • À pergunta “como esta pesquisa pode ser útil no longo prazo?”, sinceramente não sei; mas os buracos negros estão cientificamente muito perto do limite do que sabemos; não sabemos absolutamente nada sobre o que acontece além do horizonte de eventos (e experimentalmente talvez nunca venhamos a saber); quando aprendemos mais, às vezes surgem avanços que fazem a tecnologia dar saltos; é uma área com enorme potencial; na maioria dos casos, porém, o progresso parece bem “entediante” fora dos setores diretamente relacionados
  • A utilidade prática desse tipo de pesquisa não está no “resultado em si”, mas na metodologia necessária para obtê-lo; o LIGO exige lasers de extrema precisão, plataformas estáveis, medição de posição em nível extremo e software gigantesco; essas “necessidades” acabam gerando avanços e inovação de verdade; por exemplo, sensores CMOS (câmeras digitais) surgiram como efeito colateral da astronomia; quando você usa a câmera do celular, não pensa “isso veio de pesquisa sobre medição de distância de estrelas”, mas é esse o tipo de efeito
  • Ao longo da história, civilizações ricas construíram edifícios monumentais para mostrar sua grandeza; de forma parecida, agora estamos investindo a produtividade da sociedade em pesquisa básica como se estivéssemos criando uma grande obra de arte; detectar fusões de buracos negros, mesmo sem ganho prático, é um monumento intelectual à busca pela natureza do universo; assim como os antigos egípcios ainda são lembrados hoje, espero que nossas realizações também durem por muito tempo
• Eu sempre achei que o horizonte de eventos de um buraco negro fosse sempre esférico, mas minha intuição física diz que, quando dois buracos negros se fundem, o buraco negro logo após a fusão não ficaria com formato de “amendoim”, pelo menos no início? Dependendo da distribuição de massa interna, talvez uma forma irregular pudesse continuar existindo
  • O horizonte de eventos se torna esférico no caso de um buraco negro de Schwarzschild (não rotativo); buracos negros rotativos são chamados de buracos negros de Kerr e têm muitos fenômenos estranhos; do lado de fora existe uma fronteira externa chamada ergosphere, onde o espaço-tempo é arrastado e nada pode ficar parado, e dá até para acelerar objetos usando o buraco negro; por dentro existe uma fronteira ainda mais estranha chamada Cauchy horizon, onde teoricamente seria possível viajar no tempo; a singularidade tem formato de anel; acho que, durante a fusão, tudo isso ficaria muito mais estranho ainda, wiki da métrica de Kerr, artigo de pesquisa sobre buracos negros de Kerr, wiki da Ergosphere, wiki de Cauchy horizon, fui atualizando enquanto pesquisava; é complexo, então não posso garantir que esteja tudo exatamente correto, mas fiz o meu melhor para explicar
  • Acho difícil falar da forma do horizonte de eventos, porque normalmente a definição de esfera é “o conjunto de todos os pontos equidistantes de um ponto”, mas em uma variedade diferenciável isso já fica complicado, e por causa da singularidade a distância pode se tornar infinita ou talvez não exista um ponto de referência único na geometria; por isso, em geral, troca-se a definição por “uma superfície de curvatura escalar constante com a mesma topologia de uma esfera”, o que a distingue de um plano ou de uma superfície hiperbólica; minha intuição diz que, em um buraco negro de Kerr ou durante uma fusão, ele teria forma de bala de menta ou de amendoim (e provavelmente também haveria pontos de sela); em coordenadas, certamente pode parecer assim, mas dependendo do sistema de coordenadas até um buraco negro de Schwarzschild pode parecer um amendoim; por isso acho que as coordenadas em si não significam tanto
  • Há uma animação da fusão feita pelo MIT/CalTech, vídeo da animação
  • Do nosso ponto de vista, o horizonte de eventos não está realmente concluído; para uma estrela em colapso atingir o estado de buraco negro, leva um tempo infinito do ponto de vista de um observador externo; na maioria das situações, a estrela em colapso parece um buraco negro, mas no processo de fusão de buracos negros o horizonte de eventos não está totalmente formado, então energia pode ser emitida; nesses casos, isso gera uma diferença importante
• Fico me perguntando o que aconteceria se um buraco negro atravessasse o outro como se passasse por dentro dele em velocidade ultrarrelativística
  • O espaço-tempo ao redor de um buraco negro é extremamente curvado; é fácil imaginar “eles colidem quase na velocidade da luz”, mas em buracos negros o espaço-tempo se cruza de um jeito tão estranho que, conforme um se aproxima do outro, pode até parecer que sua velocidade para completamente; dependendo da posição e da velocidade do observador, o que se vê pode ser totalmente diferente; é difícil até chegar a um consenso sobre o básico; por exemplo, quando algo cai em um buraco negro (mesmo que seja outro buraco negro), de fora a velocidade parece tender a 0 e o objeto apenas desaparece para o vermelho, de modo que nunca vemos de fato o instante da queda; é tudo muito difícil e contraintuitivo
  • Os dois buracos negros acabariam se fundindo em um único buraco negro com a soma de seus momentos; como nada pode escapar do horizonte de eventos, buracos negros na prática têm um comportamento completamente pegajoso
  • Dentro do horizonte de eventos, a velocidade de escape é maior que a da luz, então os buracos negros não podem se aproximar um do outro mais rápido do que isso; se as órbitas coincidirem perfeitamente, eles não conseguem escapar da gravidade um do outro; em vez de pensar que um buraco negro atravessa o outro, é mais parecido com a colisão de ímãs superfortes
  • É uma pena que não possamos instalar um acelerador de partículas cósmico para testar isso
• É impressionante que LIGO, Virgo e KAGRA consigam realmente detectar e interpretar sinais tão extremos como este
• Fico curioso sobre a perspectiva orçamentária do LIGO, se houve corte após a aprovação do BBB na semana passada
• Fico me perguntando o que acontece quando buracos negros colidem: um “engole” o outro, ou eles viram um buraco negro maior, ou ficam mais densos, ou simplesmente maiores?
  • Eles se fundem em um buraco negro maior; a maior parte da massa é preservada e uma parte é emitida como ondas gravitacionais; como a massa é proporcional ao raio, a densidade na verdade diminui com a fusão; por exemplo, se você alinhar vários buracos negros e os fundir, o próprio espaço esférico que envolve o conjunto passa a ser um buraco negro; um buraco negro com a massa total do universo teria um volume do tamanho do universo
  • Eles se combinam em um buraco negro mais massivo; o volume, incluindo o horizonte de eventos, é determinado apenas pela massa, então não importa como ele foi formado: com a mesma massa, tem a mesma densidade; sobre “engolir”, é como rasgar um pano até que dois furos se encontrem e virem um só — fica ambíguo dizer se o furo maior “engoliu” o menor
  • Não sabemos o que acontece por dentro; buracos negros são definidos apenas por três grandezas: massa, spin (momento angular) e carga; espera-se que, após a fusão, essas grandezas se somem; uma rotação muito rápida pode fazer o spin pós-fusão chegar perto do limite, e as ondas gravitacionais podem carregar embora a energia do spin excedente
  • Pelo que entendo, os dois buracos negros orbitam um ao outro e se aproximam para sempre; do nosso ponto de vista, nunca conseguimos ver algo realmente cair dentro de um buraco negro; por causa da dilatação do tempo, nunca vemos nada de fato cruzar o horizonte; há uma explicação mais detalhada aqui perguntas e respostas sobre dilatação do tempo
  • Em princípio, as massas dos dois buracos negros se somam e eles se tornam um buraco negro maior; esse aumento de massa gera uma gravidade maior, fazendo o horizonte de eventos se expandir para fora
• A piada é que, sem waveform (chirp), não aconteceu