Figura mostrando seções através de superfícies marginais em um 'instantâneo' da simulação dos pesquisadores. Os horizontes aparentes são as três linhas escuras (a recém-formada está fora e contém as duas originais), enquanto as superfícies marginais instáveis são mais claras. Algumas das superfícies instáveis evoluem para se fundir e aniquilar com os dois horizontes aparentes originais (internos). Crédito: Pook-Kolb, Hennigar & Booth.

As fusões de buracos negros binários são eventos cosmológicos fascinantes, que foram teorizados como uma das fontes mais fortes de ondas gravitacionais no universo. Embora os astrofísicos tenham realizado pesquisas extensas com foco nesses eventos, muitas perguntas permanecem sem resposta.

Pesquisadores do Instituto Max Planck de Física Gravitacional na Alemanha e da Universidade Memorial de Newfoundland and Labrador no Canadá realizaram recentemente um estudo explorando o que acontece com os horizontes aparentes originais durante uma fusão entre dois buracos negros não giratórios. Seu artigo, publicado na Physical Review Letters, sugere que quando os buracos negros binários se fundem, os horizontes aparentes desaparecem ao se fundir com outras estruturas semelhantes ao horizonte.

Os horizontes aparentes são limites delineando a borda de um buraco negro. Em seus trabalhos anteriores, dois dos pesquisadores envolvidos no recente estudo vinham tentando desenvolver novas maneiras de identificar horizontes aparentes em espaços-tempos simples o suficiente para que suas métricas pudessem ser anotadas no papel. Usando os métodos que desenvolveram, eles foram capazes de identificar várias novas superfícies semelhantes a horizontes que haviam sido negligenciadas por trabalhos anteriores.

“Parte da inspiração original para esse estudo foi compreender horizontes aparentes que se auto-cruzam que foram recentemente identificados durante as fusões de buracos negros por Daniel e seus colaboradores”, Daniel Pook-Kolb, Robie A. Hennigar e Ivan Booth, os pesquisadores que realizaram o estudo, disse Phys.org, por e-mail. “Então, Ivan foi convidado para ser um examinador da tese de doutorado de Daniel e, enquanto escrevia seu relatório, percebeu que os métodos simples também poderiam ser aplicados em espaços-tempos de fusão gerados numericamente muito mais complicados de Daniel. Depois que a tese foi publicada, nós começou a colaborar.”

Inicialmente, Pook-Kolb analisou dados das simulações numéricas completas que ele produziu como parte de sua tese. Quase imediatamente, ele identificou uma série de novas estruturas que combinavam com as previsões teóricas da equipe.

Um dos objetivos principais do novo estudo era obter uma melhor compreensão de como dois buracos negros podem se fundir e se tornar um. Conforme os pesquisadores continuaram suas análises, eles ficaram mais confiantes de que seriam capazes de responder a essa pergunta sem resposta.

“Por muitos anos, sabe-se como fica o horizonte de eventos durante uma fusão; esse é o famoso diagrama do par de calças, mas isso não nos diz muito sobre a dinâmica, especialmente como o espaço-tempo evolui dentro dos buracos negros”, Pook- Kolb, Hennigar e Booth explicaram. “Para obter mais informações, olhamos para horizontes aparentes, que são onipresentes na comunidade da relatividade numérica.”

Aproximadamente 50 anos atrás, Stephen Hawking e George Ellis especularam brevemente sobre o que acontece com os horizontes aparentes dos buracos negros binários quando eles se fundem, em seu livro “The Large Scale Structure of Space-Time”. Desde então, no entanto, os pesquisadores não conseguiram traçar um quadro completo e consistente desse fenômeno.

“Por muito tempo, esta tem sido uma questão bastante acadêmica, já que os buracos negros eram objetos elusivos que nunca haviam sido observados diretamente individualmente, muito menos testemunhar a fusão de dois deles”, disseram Pook-Kolb, Hennigar e Booth. “Isso mudou drasticamente desde que as primeiras assinaturas de ondas gravitacionais de fusões foram detectadas em 2015. As observações de fusões agora são quase rotineiras. Portanto, pensamos que obter uma compreensão de todos os seus aspectos é interessante por si só.”

Em seu artigo, Pook-Kolb, Hennigar e Booth examinaram especificamente as configurações de buracos negros com uma certa simetria, onde todo o sistema permanece inalterado após as rotações ocorrerem em torno de um eixo. O método que eles usaram para realizar sua análise tem três componentes principais.

Em primeiro lugar, os pesquisadores empregaram uma técnica altamente precisa para simular espaços-tempos, incluindo espaços-tempos dentro de um buraco negro. Em segundo lugar, eles usaram um método numérico que lhes permitiu resolver os horizontes, mesmo nos casos em que se tornaram muito distorcidos.

“O terceiro ‘ingrediente’ do nosso método é uma maneira conceitualmente simples de encontrar todos os horizontes possíveis: as equações para encontrar horizontes aparentes são reescritas de equações complicadas para superfícies a relativamente simples para curvas”, disseram Pook-Kolb, Hennigar e Booth . “Depois de encontrar uma dessas curvas, ela pode ser girada para obter a superfície total. Então, a busca por horizontes torna-se uma busca unidimensional, que é fácil de lidar com os computadores de hoje. Pelo que sabemos, ninguém completamente trabalhei a matemática para isso antes, mas foi o que finalmente nos permitiu descobrir a estrutura no interior do buraco negro recém-formado.”

Nas últimas décadas, os astrofísicos foram capazes de traçar um quadro claro do que acontece no espaço-tempo exterior dos buracos negros durante as fusões de buracos negros binários. Além disso, as ondas gravitacionais que estavam associadas a esses eventos agora são detectadas de forma consistente.

O que acontece no espaço-tempo interior, entretanto, ainda não ficou claro. O trabalho recente de Pook-Kolb, Hennigar e Booth lança alguma luz sobre o que pode acontecer dentro de buracos negros binários quando eles se fundem.

“O resultado mais importante de nosso estudo é que ele revelou o destino dos dois horizontes originais”, disseram Pook-Kolb, Hennigar e Booth. “Ambos eventualmente desaparecem, mas não simplesmente desaparecem. Em vez disso, eles aniquilam suavemente com outras estruturas semelhantes a horizontes. Pode-se ir mais longe e dizer ‘eles mudam no tempo”, e ao fazer isso, eles se tornam o que nós chame instável.”

Uma outra conquista deste estudo recente é que ele introduz um método para diferenciar facilmente entre superfícies marginais genéricas, também conhecidas como MOTSs, e MOTSs que podem ser considerados como limites de buracos negros fisicamente significativos (ou seja, horizontes). No futuro, esse método também poderá ser usado por outras equipes de pesquisa para estudar horizontes em buracos negros.

“Ao computar as propriedades de estabilidade de um MOTS, podemos dizer imediatamente se ele pertence a um horizonte de comportamento físico ou se é apenas uma superfície marginal instável”, explicaram Pook-Kolb, Hennigar e Booth. “Este critério estabelece algo muito importante para nós: apesar do grande número de superfícies marginais que encontramos, encontramos uma estrutura muito clara e simples quando incluímos as propriedades de estabilidade.”

Em seu estudo recente, Pook-Kolb, Hennigar e Booth relatam novos e valiosos insights sobre o que pode acontecer aos horizontes aparentes quando dois buracos negros se fundem em um. Até agora, suas análises consideraram buracos negros binários não giratórios, mas eles planejam conduzir estudos adicionais enfocando buracos negros giratórios.

“Obviamente, ainda há muitas questões a serem respondidas”, disseram Pook-Kolb, Hennigar e Booth. “Provavelmente, o mais importante será estender nosso estudo a fusões totalmente genéricas de buracos negros em rotação. Embora pensemos que estruturas muito semelhantes devam existir, temos sido surpreendidos com freqüência o suficiente para permanecer extremamente curiosos.”

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