Pesquisando dados existentes abrangendo 9 bilhões de anos, uma equipe de pesquisadores liderada por cientistas da Universidade do Havaí em Manoa descobriu a primeira evidência de “acoplamento cosmológico” – um fenômeno recém-previsto na teoria da gravidade de Einstein, possível apenas quando os buracos negros são colocado dentro de um universo em evolução.

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Os astrofísicos Duncan Farrah e Kevin Croker lideraram este estudo ambicioso, combinando a experiência do Havaí em evolução galáctica e teoria da gravidade com a experiência de observação e análise de pesquisadores em nove países para fornecer a primeira visão sobre o que pode existir dentro de buracos negros reais.

“Quando o LIGO ouviu o primeiro par de buracos negros se fundir no final de 2015, tudo mudou”, disse Croker. “O sinal estava de acordo com as previsões no papel, mas estendendo essas previsões para milhões ou bilhões de anos? Combinando esse modelo de buracos negros com nosso universo em expansão? Não estava nada claro como fazer isso.”

A equipe publicou recentemente dois artigos, um no The Astrophysical Journal e outro no The Astrophysical Journal Letters , que estudaram buracos negros supermassivos no coração de galáxias antigas e adormecidas.

Os pesquisadores estudaram galáxias elípticas como Messier 59 para determinar se a massa de seus buracos negros centrais mudou ao longo dos últimos 9 bilhões de anos. A distribuição suave da luz é de bilhões de estrelas. Crédito: ESA/Hubble & NASA, P. Cote.

O primeiro artigo descobriu que esses buracos negros ganham massa ao longo de bilhões de anos de uma maneira que não pode ser facilmente explicada por processos padrão de galáxias e buracos negros , como fusões ou acréscimo de gás.

O segundo artigo descobriu que o crescimento em massa desses buracos negros corresponde às previsões de buracos negros que não apenas se acoplam cosmologicamente, mas também encerram a energia do vácuo – material que resulta da compressão da matéria o máximo possível sem quebrar as equações de Einstein, evitando assim uma singularidade.

Com as singularidades ausentes, o artigo mostra que a energia de vácuo combinada dos buracos negros produzida nas mortes das primeiras estrelas do universo concorda com a quantidade medida de energia escura em nosso universo.

“Estamos realmente dizendo duas coisas ao mesmo tempo: que há evidências de que as soluções típicas de buracos negros não funcionam para você em uma escala de tempo muito, muito longa, e temos a primeira fonte astrofísica proposta para energia escura”, disse Farrah, autor principal de ambos os papéis.

“O que isso significa, no entanto, não é que outras pessoas não tenham proposto fontes para a energia escura, mas este é o primeiro artigo observacional em que não estamos adicionando nada de novo ao universo como fonte de energia escura: buracos negros no universo de Einstein. teoria da gravidade são a energia escura.”

Essas novas medições, se apoiadas por mais evidências, redefinirão nossa compreensão do que é um buraco negro.

Nove bilhões de anos atrás

No primeiro estudo, a equipe determinou como usar as medições existentes de buracos negros para procurar acoplamento cosmológico.

“Meu interesse neste projeto realmente nasceu de um interesse geral em tentar determinar evidências observacionais que apoiem um modelo de buracos negros que funciona independentemente de quanto tempo você olha para eles”, disse Farrah. “Isso é uma coisa muito, muito difícil de fazer em geral, porque os buracos negros são incrivelmente pequenos, são incrivelmente difíceis de observar diretamente e estão muito, muito longe.

Os buracos negros também são difíceis de observar em escalas de tempo longas. As observações podem ser feitas em alguns segundos, ou dezenas de anos no máximo – não há tempo suficiente para detectar como um buraco negro pode mudar ao longo da vida do universo. Ver como os buracos negros mudam em uma escala de bilhões de anos é uma tarefa maior.

“Você teria que identificar uma população de buracos negros e identificar sua distribuição de massa bilhões de anos atrás. Então você teria que ver a mesma população, ou uma população conectada ancestralmente, nos dias atuais e novamente ser capaz de medir sua massa”, disse o coautor Gregory Tarlé, físico da Universidade de Michigan. “Isso é uma coisa muito difícil de fazer.”

Como as galáxias podem ter vida útil de bilhões de anos, e a maioria das galáxias contém um buraco negro supermassivo, a equipe percebeu que as galáxias eram a chave, mas escolher os tipos certos de galáxias era essencial.

“Havia muitos comportamentos diferentes para buracos negros em galáxias medidos na literatura, e não havia realmente nenhum consenso”, disse a coautora do estudo Sara Petty, especialista em galáxias da NorthWest Research Associates. “Decidimos que, focando apenas em buracos negros em galáxias elípticas de evolução passiva, poderíamos ajudar a resolver isso.”

As galáxias elípticas são enormes e formadas cedo. São fósseis de montagem galáctica. Os astrônomos acreditam que eles sejam o resultado final de colisões de galáxias, enormes em tamanho com mais de trilhões de estrelas antigas.

Medição da força de acoplamento k comparando massas de buracos negros em 5 coleções diferentes de antigas galáxias elípticas com os buracos negros em galáxias elípticas atuais. As medições se agrupam em torno de k = 3, o que implica que os buracos negros contêm energia de vácuo, em vez de uma singularidade. 

Ao observar apenas galáxias elípticas sem atividade recente, a equipe poderia argumentar que quaisquer mudanças nas massas dos buracos negros das galáxias não poderiam ser facilmente causadas por outros processos conhecidos. Usando essas populações, a equipe examinou como a massa de seus buracos negros centrais mudou ao longo dos últimos 9 bilhões de anos.

Se o crescimento em massa de buracos negros ocorresse apenas por acréscimo ou fusão, não seria esperado que as massas desses buracos negros mudassem muito. No entanto, se os buracos negros ganharem massa ao se acoplar ao universo em expansão, essas galáxias elípticas em evolução passiva podem revelar esse fenômeno.

Os pesquisadores descobriram que quanto mais para trás no tempo eles olhavam, menores eram os buracos negros em massa, em relação às suas massas hoje. Essas mudanças foram grandes: os buracos negros eram de 7 a 20 vezes maiores hoje do que eram 9 bilhões de anos atrás – grandes o suficiente para que os pesquisadores suspeitassem que o acoplamento cosmológico poderia ser o culpado.

Desbloqueando buracos negros

No segundo estudo, a equipe investigou se o crescimento dos buracos negros medido no primeiro estudo poderia ser explicado apenas pelo acoplamento cosmológico.

“Aqui está uma analogia de brinquedo. Você pode pensar em um buraco negro acoplado como um elástico, sendo esticado junto com o universo à medida que ele se expande”, disse Croker. “À medida que se estende, sua energia aumenta. O E = mc ² de Einstein diz que massa e energia são proporcionais, então a massa do buraco negro também aumenta.”

O quanto a massa aumenta depende da força do acoplamento, uma variável que os pesquisadores chamam de k .

“Quanto mais rígido o elástico, mais difícil é esticá-lo, portanto, mais energia quando esticado. Em poucas palavras, isso é k ”, disse Croker.

Como o crescimento em massa de buracos negros do acoplamento cosmológico depende do tamanho do universo, e o universo era menor no passado, os buracos negros no primeiro estudo devem ser menos massivos na quantidade correta para que a explicação do acoplamento cosmológico funcione. .

A equipe examinou cinco populações diferentes de buracos negros em três coleções diferentes de galáxias elípticas, tiradas de quando o universo tinha aproximadamente metade e um terço de seu tamanho atual. Em cada comparação, eles mediram que k era quase positivo 3.

O primeiro link observacional

Em 2019, esse valor foi previsto para buracos negros que contêm energia de vácuo, em vez de uma singularidade por Croker, então estudante de pós-graduação, e Joel Weiner, professor de matemática da UH Manoa.

A conclusão é profunda: Croker e Weiner já haviam mostrado que se k é 3, então todos os buracos negros no universo contribuem coletivamente com uma densidade de energia escura quase constante, assim como sugerem as medidas de energia escura .

Os buracos negros vêm de grandes estrelas mortas, então se você souber quantas estrelas grandes você está fazendo, você pode estimar quantos buracos negros você está fazendo e quanto eles crescem como resultado do acoplamento cosmológico. A equipe usou as medições mais recentes da taxa de formação de estrelas mais antigas fornecidas pelo Telescópio Espacial James Webb e descobriu que os números se alinham.

De acordo com os pesquisadores, seus estudos fornecem uma estrutura para físicos teóricos e astrônomos testarem ainda mais – e para a geração atual de experimentos de energia escura, como o Dark Energy Spectroscopic Instrument e o Dark Energy Survey – para lançar luz sobre a ideia.

“Se confirmado, este seria um resultado notável, apontando o caminho para a próxima geração de soluções de buracos negros”, disse Farrah.

Croker acrescentou: “Esta medição, explicando por que o universo está se acelerando agora, dá um belo vislumbre da força real da gravidade de Einstein. Um coro de pequenas vozes espalhadas pelo universo pode trabalhar em conjunto para orientar todo o cosmos. Quão legal é isso?”

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Redação tecflow

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