Uma COLISÃO impossível | Buracos Negros | Astrum Brasil

0:00 Em 23 de novembro de 2023,

0:03 cientistas do laigo detectaram um minúsculo sinal subatômico,

0:07 o eco final de um evento cataclmico.

0:12 Em algum lugar, a meio caminho do cosmos,

0:15 dois buracos negros colidiram com uma força incrível.

0:19 Essa colisão épica enviou ondas pelo universo,

0:23 poderosas o suficiente para serem captadas aqui na Terra.

0:27 Há mais de 7 bilhões de anos luz de distância.

0:32 Este nãoé um tipo de evento incomum para o Lago detectar,

0:36 mas o que foi incomum nenhum dos dois

0:39 buracos negros envolvidos na colisão deveria sequer existir.

0:43 De acordo com os nossos modelos atuais,

0:46 eles se enquadram na chamada lacuna de massa,

0:50 uma faixa de massas de buracos negros que,

0:53 até onde sabemos são impossíveis de criar.

0:57 Agora os cientistas estão tentando decifrar esse

1:01 sinal fraco e incrivelmente complexo para aprender como

1:04 e por esses gigantes espaciais épicos se encontraram

1:09 e resolveram um dos maiores mistérios da astronomia.

1:13 De onde vieram esses buracos negros impossíveis?

1:18 Eu sou o Denis Ariel e você está assistindo ao Astronom Brasil.

1:22 Junte-se a mim hoje [música] enquanto

1:23 estudamos o invisível para revelar o impossível.

1:28 Vamos explorar a tecnologia incrível que nos permite penetrar na

1:31 ciência dos buracos negros e descobrir como os buracos negros,

1:36 alguns dos fenômenos mais extremos do espaço,

1:39 estão mais uma vez levando nossa compreensão aos limites.

1:46 Em todo o cosmos, pares de buracos

1:48 negros estão presos em uma dança gravitacional.

1:52 Ao longo de bilhões de anos, suas órbitas se estreitam gradualmente,

1:56 aproximando-os cada vez mais até que finalmente colidem.

2:00 No impacto, os dois buracos negros se fundem, mas no processo algo novo nasce.

2:06 Um buraco negro totalmente novo e ainda mais massivo.

2:12 Essas colisões épicas são extremamente poderosas,

2:15 liberando muitas vezes a massa do nosso sol em explosões de energia,

2:19 mas também estão entre os eventos mais difíceis de detectar,

2:23 porque os buracos negros seguem suas próprias regras.

2:27 Eles têm o hábito de aprisionar luz e matéria dentro de si mesmos,

2:32 o que significa que não emitem nada que possamos ver ou medir,

2:36 pelo menos não ainda.

2:39 Então, acho que a primeira coisa que precisamos perguntaré como ver o invisível.

2:46 Se quisermos caçar colisões de buracos negros,

2:48 precisamos analisar uma das últimas previsões não

2:51 testadas de Einstein para a teoria da relatividade.

2:55 Einstein previu que quando algo massivo acelera através do universo,

2:59 isso deveria gerar ondulações no espaçotempo,

3:02 ou seja, na própria estrutura do universo.

3:06 Chamamos essas ondulações de ondas gravitacionais.

3:10 Na maioria das vezes, essas flutuações seriam muito pequenas para serem medidas.

3:15 Mas teoricamente algo incrivelmente massivo,

3:18 acelerado extraordinariamente rápido,

3:21 poderia produzir ondas gravitacionais grandes o suficiente

3:25 para serem detectadas na Terra por pouco.

3:29 Algo como dois buracos negros colidindo nos extertores finais de sua espiral.

3:36 Pares binários de buracos negros se aproximam da velocidade da luz.

3:41 E como Einstein preveu nas últimas órbitas antes da fusão,

3:45 por uma fração de segundo, criam uma explosão de ondas

3:49 gravitacionais que podem ser incrivelmente poderosas,

3:53 propagando-se pelo espaço tempo em todas as direções.

3:58 A cada onda, o próprio espaçot-tempo se contrai e se expande.

4:02 Mas mesmo para a fusão de buracos negros,

4:05 a quantidade que detectamosé minúscula.

4:08 milésimos do tamanho de um próton.

4:12 Einstein nunca viu sua teoria comprovada,

4:15 porque a tecnologia não existia para fazer

4:17 detecções precisas o suficiente para medir essas mudanças.

4:22 Na verdade, ele acreditava que sua teoria era

4:24 impossível de testar e até 2015 era mesmo.

4:30 Quase exatamente 60 anos após a morte de Einstein,

4:34 os cientistas fizeram sua primeira observação direta

4:37 de ondas gravitacionais com um detector verdadeiramente revolucionário.

4:42 Esteé o observatório de ondas gravitacionais por interfermetro laser,

4:47 ou mais conhecido como Laigo.

4:50 Você talvez se lembre dele no meu vídeo anterior que você pode assistir aqui,

4:54 mas basicamente sua funçãoé detectar ondas gravitacionais.

5:00 O laico consiste em dois detectores espaçados por 3.000 km.

5:05 Isso equivale a cerca de 3 de voo, mas a uma viagem de menos de

5:10 10 milésimos de segundo para uma onda gravitacional.

5:14 Em cada base, um par de tubos de concreto de 3,5

5:17 m de altura estendem-se em ângulos retos na direção do horizonte.

5:22 Os tubos são tão longos, mais de 4 km cada,

5:26 que precisam ser elevados 1 m do solo em cada extremidade

5:30 para que permaneçam planos acompanhando a curvatura da Terra sobre eles.

5:35 Na extremidade de cada tubo encontra-se um espelho.

5:39 Cada um tem 0,3 m de largura,

5:41 pesando 40 kg e polido até se tornar uma esfera perfeita,

5:46 com precisão subnanométrica.

5:49 Os espelhos são suspensos por um sistema

5:52 de pêndulos feitos de fibras de sílica fundida,

5:55 isolando-os do menor tremor sísmico.

5:58 Estaé realmente uma tecnologia incrivelmente sofisticada,

6:02 mas o mais incrívelé que funciona.

6:05 Ao disparar lasers pelos braços detectores do Lle,

6:09 os cientistas podem medir a distância exata entre os dois conjuntos de espelhos.

6:13 Quando uma onda gravitacional atravessa nosso planeta,

6:16 a ondulação do espaçotempo que ela causa,

6:20 que aliás tem cerca de 1 milésimo do tamanho de um próton nessa escala,

6:24 cria um padrão na luz laser refletida que pode ser medida pelo software do Lago.

6:29 E com isso podemos detectar ondas gravitacionais.

6:34 Não só podemos usar isso para detectar eventos

6:36 cataclísmicos que acontecem há bilhões de anos de distância.

6:40 Mas ao analisar os sinais,

6:42 os cientistas podem calcular a escala do evento que os

6:45 produziu e pintar um quadro bastante detalhado do que estava envolvido.

6:53 Há 10 anos, o Ligo e seus colaboradores,

6:55 principalmente o detector Virgo na Itália e o Cagra no Japão,

7:00 vem detectando colisões de buracos negros em todo o universo.

7:04 A colaboração já observou mais de 300 fusões

7:08 e evolucionou o campo de estudos de buracos negros.

7:11 De fato, em 2017, seus fundadores ganharam o Prêmio Nobel

7:15 de física por provarem a existência das ondas gravitacionais de Einstein.

7:21 Mas esse não foi o fim das descobertas surpreendentes do Ligel.

7:25 Em 2023, este observatório fez mais uma

7:29 descoberta que mais uma vez chocou os astrônomos.

7:34 Tratava-se de um sinal que os cientistas chamaram

7:37 de GW23113 e o que revelou era aparentemente impossível.

7:45 O sinal durou cerca de um décimo de segundo,

7:48 mas se destacou claramente um pico nas leituras cerca de

7:52 20 vezes mais alto que o ruído típico do detector.

7:57 O sinal era tão forte que a equipe [música] de

7:59 cientistas envolvida na descoberta poderia tê-lo descartado como uma anomalia.

8:05 Até que a mesma medição chegou no segundo

8:08 detector do outro lado dos Estados Unidos da América.

8:11 A equipe ainda precisava verificar se não se tratava de uma anomalia aleatória.

8:16 Simulando milhares de anos de dados falsos,

8:19 [música] eles descobriram que a probabilidade de ruído aleatório imitar

8:22 o sinal era menor que uma vez em 10.000 anos.

8:27 Em outras palavras, eles tinham quase certeza de que era real.

8:32 Então eles começaram a investigar o que exatamente poderia ser.

8:36 Os modelos que melhor explicavam os padrões que eles viram na forma

8:40 de onda do sinal eram os de buracos negros em alta rotação,

8:44 colidindo, mas mesmo assim o sinal era bastante incomum.

8:49 Parecia ser apenas a segunda metade de uma colisão de buracos negros,

8:53 o queé conhecido como a fase de ressonância.

8:58 medida que o novo buraco negro se formava,

9:00 ele ressoava [música] como um sino amortecendo o som antes de se estabilizar.

9:05 E foram as ondas gravitacionais liberadas durante essa

9:09 porção final da fusão que o Laigo detectou.

9:13 Levando em consideração todas essas irregularidades,

9:17 a equipe concluiu que a cerca de 7 bilhões de anos luz de distância,

9:21 dois buracos negros se fundiram em uma

9:23 poderosa colisão para formar um único buraco

9:27 negro com uma massa gigantesca entre 182 e 251 vezes a do nosso sol.

9:36 Essa foi uma descoberta impressionante.

9:40 Antes desse evento, o buraco negro mais massivo,

9:42 já visto após uma fusão, tinha cerca de 140 massas solares.

9:47 No momento da colisão, foi facilmente o evento mais brilhante de todo o cosmos,

9:52 emitindo 15 massas solares de energia,

9:55 quase três quindilhões ou três seguido de 48 zeros jules.

10:02 O sol levaria cerca de 200 trilhões de anos para emitir tanta energia.

10:07 mais do que toda a energia produzida por

10:10 todas as outras estrelas do universo juntas naquele momento.

10:15 E mais, toda essa energia foi liberada como

10:18 ondas gravitacionais que se espalharam pelo tecido do espaço-tempo,

10:22 viajando bilhões de anos luz até que finalmente alcançaram nosso planeta.

10:29 Com análises mais complexas do sinal,

10:31 os cientistas também conseguiram extrair informações sobre

10:34 os dois buracos negros envolvidos na colisão.

10:37 Eé aqui que as coisas ficaram estranhas.

10:41 Com base na teoria da relatividade de Einstein,

10:44 físicos teóricos construíram uma enorme biblioteca

10:47 de modelos teóricos de formas de onda.

10:50 Cada um simula o sinal que um sistema binário

10:53 de buracos negros diferente produziria se fosse detectado pelo lago.

10:58 Por exemplo, buracos negros mais massivos fundem mais rapidamente,

11:02 criando um sinal mais curto e de tom mais agudo.

11:06 Os cientistas comparam cada novo sinal com seu vasto

11:09 catálogo de colisões teóricas para ver qual se ajusta melhor.

11:14 Descobriu-se que os dois buracos negros que produziram

11:16 esse evento espacial titânico tinham 103 e 137

11:21 vezes a massa do Sol e giravam cerca de 400.000 vezes mais rápido que a Terra,

11:27 perto da velocidade da luz.

11:30 Issoé quase tão rápido quanto eles poderiam fisicamente ir.

11:34 E essa revelação apresentou um enorme mistério,

11:38 porque até então os físicos não acreditavam

11:41 que nenhum desses buracos negros pudesse existir.

11:46 De certa forma, os buracos negros são muito simples.

11:50 São fenômenos tão puros e extremos que

11:53 podem ser definidos por apenas três características:

11:55 [música] rotação ou momento angular, massa e carga elétrica.

12:01 Por muitos anos, os cientistas previram um subconjunto

12:04 específico de buracos negros que não deveriam existir,

12:09 especificamente buracos negros com massas aproximadamente entre 50

12:14 e 130 vezes a massa do nosso Sol.

12:17 Estes são maiores que um buraco negro comum,

12:20 mas não são os monstros supermassivos que vivem no centro das galáxias.

12:24 [música] Issoé chamado de lacuna de massa.

12:28 E para entendê-la, precisamos analisar como

12:31 os buracos negros normalmente se formam.

12:35 Quando estrelas realmente grandes chegam ao fim de seu ciclo

12:39 de vida e começam a formar ferro em seus núcleos,

12:42 finalmente colapsam porque não há pressão de radiação suficiente para

12:47 impedir que as camadas externas caiam sob a pressão gravitacional.

12:52 Essas estrelas então explodem como super novas do tipo dois.

12:56 Se a estrela original for muito massiva,

12:59 tipicamente mais de 20 a 30 vezes a massa do Sol e o núcleo remanescente

13:03 após a explosão da supernova e ceder

13:05 o limite de uma [música] estrela de nêutrons,

13:08 queé em torno de duas a três massas solares,

13:11 então ela continuará colapsando, formando um buraco negro.

13:16 Mas existem estrelas ainda mais massivas, gigantes,

13:20 que se formaram no início do universo

13:22 [música] com entre 130 e 250 massas solares.

13:27 Essas estrelas fazem uma de duas coisas.

13:30 Algumas terminam em supernovas violentas que despedaçam a estrela completamente,

13:35 sem deixar para trás o núcleo superdenso necessário para formar um buraco negro.

13:40 Outras, mais especificamente gigantes [música] vermelhas pulsantes,

13:45 descartam camada após camada, reduzindo sua massa.

13:49 Então, a estrela final,

13:50 muito menor colapsaria em uma estrela de nêutrons ou um buraco negro menor,

13:55 novamente impedindo a formação de um buraco negro de massa intermediária.

14:01 Por quase 10 anos, parecia que nossas previsões estavam corretas,

14:06 já que detectores de ondas gravitacionais,

14:09 como a colaboração Laigo, Virgo, Kagra,

14:11 não encontraram nenhum buraco negro de tamanho intermediário.

14:15 Então o evento GW231123 surgiu e revelou a fusão de dois buracos negros,

14:22 ambos dentro da lacuna de massa.

14:25 Nossa teoria, pelo menos em alguns casos,

14:28 estava errada e os cientistas tiveram que proporcionar uma nova hipótese.

14:33 Uma possibilidadeé que eles tenham crescido através de uma série de

14:36 fusões de buracos negros menores e que a colisão detectada pelo

14:40 lago foi apenas a mais recente em uma longa cadeia de

14:44 buracos negros se devorando e ficando maioresà medida que uniam forças.

14:49 Esses tipos de fusões normalmente geram grandes impulsos de recu de

14:53 ondas gravitacionais que podem separar o

14:56 remanescente de seu [música] sistema hospedeiro.

14:59 Isso poderia ser superado em um ambiente suficientemente denso,

15:03 como um aglomerado globular de estrelas,

15:05 onde poderia haver muitos buracos negros que

15:08 poderiam interagir frequentemente com altas velocidades de escape.

15:13 uma ideia tentadora eé um processo que acreditamos que possa acontecer.

15:19 Mas neste caso há um problema.

15:21 Como você pode ver, eu disse que buracos negros são simples.

15:25 Eles têm massa, rotação e carga.

15:28 Bem, toda vez que se fundem,

15:30 somam suas duas massas, mas também combinam suas rotações.

15:34 Como as rotações geralmente seguem em direções aleatórias,

15:38 tendem a se anular e as fusões raramente

15:41 produzem buracos negros filhos com altas magnitudes de rotação.

15:45 Os dois buracos negros envolvidos nesta colisão,

15:48 no entanto, giravam a velocidades próximas a da luz,

15:52 tornando o GW231123 não apenas o sistema binário de buracos negros mais massivo,

15:58 mas também o sistema binário de buracos negros com

16:01 a rotação mais rápida já detectado com segurança por ondas gravitacionais.

16:07 Assim, alguns pesquisadores concluíram que algo além de fusões [música]

16:11 anteriores deve explicar as enormes massas dos buracos negros progenitores.

16:17 O mistério continuou.

16:19 Isso até que cientistas do Centro de Astrofísica

16:22 Computacional do Instituto Flaton propuseram uma nova teoria.

16:27 A equipe liderada por Orgotlib argumenta que a resposta pode estar

16:32 em uma das características mais negligenciadas da formação de buracos negros,

16:38 os campos magnéticos de suas estrelas progenitoras.

16:42 Eles criaram simulações complexas para uma estrela de 250

16:47 massas solares e modelaram sua vida desde o momento

16:50 em que começa a queimar hidrogênio até o momento

16:53 em que se esgota e colapsa em uma supernova.

16:57 A simulação mostrou que, na verdade, a estrela teria consumido grande parte de

17:02 sua massa como até o momento do colapso,

17:05 terminando sua vida com apenas 150 vezes a massa do sol.

17:10 agora logo acima daquela incômoda lacuna de massa.

17:15 Mas a equipe ainda precisava descobrir o que aconteceu

17:18 depois que aquele [música] objeto de 150 massas solares explodiu.

17:23 Será que correspondia aos buracos negros de

17:25 alta massa e rotação rápida observados pelo Igor?

17:29 A equipe criou um segundo conjunto de simulações

17:32 muito mais complexas para estudar as consequências da supernova.

17:36 Eles imaginaram os remanescentes da supernova como um buraco negro no

17:40 centro de uma nuvem de material

17:41 estelar remanescente impregnado de campos magnéticos.

17:45 Primeiro, eles pediram a simulação para imaginar o

17:48 que aconteceria se a estrela progenitora estivesse em repouso.

17:52 Como esperado nesse caso, a nuvem de detritos caiu no buraco negro.

17:58 Em seguida, eles pediram a simulação para imaginar que

18:01 a estrela progenitora estivesse girando e girando muito rápido.

18:06 Nesse cenário, a nuvem de poeira formou um

18:08 disco ao redor de um buraco negro giratório.

18:11 medida que o disco se acumula no buraco negro, ele gira mais rápido.

18:17 aqui que os campos magnéticos entram em ação.

18:20 A equipe instruiu a simulação a prever o resultado caso a nuvem de

18:24 poeira estelar ao redor do buraco negro

18:26 recém formado estivesse repleta de campos magnéticos,

18:31 de maneira semelhante ao que observamos em núcleos galácticos ativos,

18:35 formando quasares e blazares.

18:38 Os campos magnéticos no disco giratório foram distorcidos,

18:42 exercendo pressão sobre os detritos e, finalmente, em alguns casos,

18:47 formando jatos relativísticos que explodem material

18:50 para longe do disco de acreção,

18:52 reduzindo o material disponível para alimentar o buraco negro.

18:56 Quanto mais fortes os campos magnéticos, maior esse refeito.

19:02 Em casos extremos com campos magnéticos muito fortes,

19:05 até metade da massa original da estrela pode ser expelida do buraco negro.

19:11 Houve também outra descoberta interessante nas simulações.

19:15 A equipe descobriu que explosões impulsionadas magneticamente também podem

19:19 transmitir o queé chamado de momento estocástico do buraco negro,

19:24 provavelmente resultando em um impulso inicial potencialmente significativo em

19:29 comparação com o buraco negro de colapso direto não magnetizado.

19:34 Em outras palavras, cada vez que os campos magnéticos geravam uma explosão

19:38 de matéria para longe da região ao redor do buraco negro, ela acelerava.

19:44 Se esse impulso fosse muito forte, poderia desfazer o par binário,

19:49 mas a quantidade certa poderia fazer o buraco

19:52 negro girar mais rápido sem quebrar o sistema.

19:58 Com a estrela girando corretamente e o campo magnético correto,

20:02 a equipe poderia produzir um buraco negro de

20:04 rotação rápida que se encontra na lacuna de massa,

20:08 assim como aqueles detectados no sinal GW23 1123.

20:13 Um dos resultados empolgantes deste trabalhoé que ele sugere uma conexão entre

20:18 a massa de um buraco negro e a velocidade com que ele girar.

20:23 Campos magnéticos fortes podem desacelerar um buraco

20:27 negro e carregar parte da massa estelar,

20:30 criando buracos negros mais leves e com rotação mais lenta.

20:35 Campos mais fracos permitem buracos negros

20:38 mais pesados e com rotação mais rápida.

20:42 Infelizmente, por enquanto,

20:43 os astrônomos não conhecem nenhum outro sistema de buracos

20:46 negros nos quais essa conexão possa ser testada observacionalmente.

20:52 No entanto, observações futuras podem encontrar mais sistemas desse

20:56 tipo que poderiam ser estudados para confirmar essa conexão.

21:00 E a teoria também prevê algo que talvez possamos realmente ver.

21:05 As explosões desencadeadas pelo campo magnético poderiam

21:08 gerar jatos de curta duração e alta luminosidade,

21:12 semelhantes a explosões de raios gama muito

21:14 energéticas e estes [música] poderiam ser observáveis.

21:18 A busca por essas assinaturas de Raios Gama

21:21 ajudaria a confirmar o processo de formação de

21:24 Origotlib e sua equipe e a revelar quão

21:27 comuns esses buracos negros massivos podem ser no universo.

21:32 Se a conexão entre massa e rotação

21:34 for confirmada como um padrão fundamental em buracos negros,

21:38 [música] isso ajudaria os astrônomos a obter

21:40 uma compreensão mais profunda de sua física fundamental.

21:45 Igualmente empolgante,

21:46 esse resultado provaria que a lacuna de massa pode [música] ser preenchida,

21:52 o que significa que pode haver muitos outros

21:55 buracos negros de massa intermediária escondidos [música] na escuridão,

21:59 esperando que nós e nossa próxima geração de instrumentos os encontremos.

22:05 Levará anos para a comunidade de pesquisadores de

22:08 buracos negros desvendar completamente todas as implicações deste sinal.

22:13 E eu particularmente mal posso esperar para ver

22:16 o que mais ele tem a nos ensinar.

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