Pergunte a Ethan: Como as ondas gravitacionais escapam de um buraco negro?

A combinação de dois buracos negros, especialmente nos estágios finais, leva à emissão de um grande número de ondas gravitacionais

Talvez a maior descoberta de 2016 tenha sido a detecção direta de ondas gravitacionais. Embora a teoria geral da relatividade de Einstein os previsse 101 anos antes desse evento, para detectá-los, era necessário criar um interferômetro a laser sensível à curvatura do espaço, deslocando espelhos localizados a vários quilômetros um do outro, a uma distância não superior a 10 ^-19 m, ou 1 / 10000 diâmetros de prótons. Isso finalmente aconteceu durante o processamento dos dados do LIGO em 2015, e duas verdadeiras associações de buracos negros foram inequivocamente encontradas entre os dados recebidos. Mas como as leis da física permitem isso? Nosso leitor quer saber:

Esta questão me ocupou por muito tempo. Nos artigos sobre a descoberta feita no LIGO, eles escrevem que parte da massa foi emitida durante a fusão dos buracos negros, devido à qual o buraco negro resultante acabou sendo menor que a soma dos dois originais. No entanto, acredita-se que não se pode escapar de um buraco negro. Como a energia irradiou quando os buracos negros se fundiram?

Uma questão bastante profunda relacionada à própria essência da física dos buracos negros e da relatividade geral.


Um buraco negro e seus arredores, um disco de acreção acelerando e caindo nele. A singularidade está escondida atrás do horizonte de eventos.

Por um lado, temos um buraco negro. Toda a sua massa / energia está concentrada em uma singularidade no centro, e não é visível para um observador externo devido à presença de um horizonte de eventos. Dentro dela, qualquer caminho que uma partícula possa seguir, seja massiva ou sem massa, independentemente de sua velocidade ou energia, a levará a uma singularidade no centro do buraco negro. Isso significa que qualquer partícula que caia dentro do horizonte de eventos nunca será capaz de sair dali; portanto, toda a energia será capturada para sempre dentro do buraco negro. Uma vez em um buraco negro, você se torna parte das propriedades da singularidade: massa, carga (todos os tipos) e rotação. E é isso.


As ondas no espaço-tempo têm uma frequência da órbita total dos buracos negros e, quanto mais próximas elas estão do centro, mais intensa

Por outro lado, a GTR nos diz que quando duas massas de qualquer tipo giram em torno uma da outra, como resultado, ondas aparecem no tecido do espaço e a órbita se estreita gradualmente. São ondas gravitacionais, movem-se à velocidade da luz, carregam energia com elas e fazem com que o espaço se expanda e se estreite à medida que passa por ela. Devido à famosa equação de Einstein E = mc ² (ou, como ele originalmente escreveu, m = E / c ² ), sabemos que a fonte de energia é a massa e a fonte de massa é a energia. Eles podem ser convertidos para frente e para trás; massa é apenas uma forma que a energia assume.


Sinal LIGO associado à primeira detecção precisa de ondas gravitacionais

Então, quando o LIGO publicou os resultados do evento que aconteceu em 14 de setembro de 2015, em janeiro de 2016, não foi particularmente surpreendente que os cientistas descobriram dois buracos negros - 36 e 29 massas solares - se fundindo para criar um novo buraco negro pesando 62 solares. E para onde foram as outras três massas do Sol (cerca de 5% do peso de todo o sistema)? Eles entraram na energia das ondas gravitacionais. Todos os eventos detectados após isso tiveram aproximadamente a mesma tendência: dois buracos negros de massas comparáveis ​​convergiram em espiral e aproximadamente 5% de sua massa inicial total irradiou para fora na forma de ondas gravitacionais.

Mas todo buraco negro tem um horizonte de eventos. Cada um dos pares o possuía antes da fusão, possui o buraco negro resultante e, a qualquer momento da fusão, a singularidade não fica “nua” e não é mostrada devido ao horizonte de eventos. Então, como a massa diminui?


Qualquer objeto ou forma, física ou não-física, é distorcida quando as ondas gravitacionais passam por ele. Nenhuma onda é emitida do horizonte de eventos.

Esta não é uma pergunta complicada. É o mesmo que perguntar onde está a massa quando os prótons se fundem no deutério, hélio-3 e depois hélio-4 no sol. Por que o hélio-4 é menos maciço do que os quatro prótons dos quais se originou? Devido à energia de ligação dos núcleos. Um estado ligado é mais estável e possui menos energia (e, portanto, menos massa) do que um estado não ligado. Quando dois buracos negros se juntam e se fundem, eles se tornam mais conectados gravitacionalmente do que eram antes. Eles perdem energia devido à energia das ligações gravitacionais, e não devido ao fato de que parte da massa sai do horizonte de eventos.


A lei da gravidade de Newton deu lugar ao GR de Einstein, mas ainda serve como uma ferramenta visual para rastrear quantidades como força e energia.

Isso pode ser visto pela gravidade newtoniana. Imagine que você tem duas massas de 1 kg cada, elas estão descansando e separadas por uma distância infinita. Esse sistema possui uma energia interna de 1,8 × 10 ¹⁷ J, que pode ser calculada a partir da equação de Einstein E = mc ² . Agora aproxime-os reduzindo a distância entre eles.

• Se um quilômetro os separa, todo o sistema perde 6,67 × 10 ^-14 J.
• Se você reduzir a distância em centímetros, o sistema perderá 6,67 × 10 ^-9 J.
• Se você reduzir a distância para o tamanho do próton, de 10 a ¹⁵ m, o sistema perderá 6,67 × 10 ⁴ J, ou seja, 66700 J.
• Se você deseja perder uma quantidade realmente grande de energia, pode reduzir a distância que os separa para 10 ^-27 m, e então perde 6,67 × 10 ¹⁶ J, ou cerca de 35% da energia original do sistema!


Luz e ondas no espaço. A luz, passando por um espaço curvo, muda a maneira como o observador percebe a qualquer momento o tempo decorrido para a luz.

Certamente, o Universo em tais escalas está sujeito à GR, e não à gravidade newtoniana, mas a essência permanece a mesma. Não são os buracos negros que perdem massa; essa quantidade total de energia é transformada de uma forma - duas massas não ligadas separadas - para outra: uma massa única e fortemente conectada e radiação gravitacional. As propriedades da órbita e da massa dos buracos negros iniciais determinam qual porcentagem da massa inicial total se tornará a energia de ligação, mas, em qualquer caso, a massa final será maior que qualquer uma das iniciais, mas menor que sua soma. A radiação máxima pode levar até 5% da energia quando as duas massas são aproximadamente as mesmas. Se suas costas contêm uma quantidade enorme de energia e são paralelas, esse percentual pode ser aumentado para 11%. Mas se uma das massas é muito superior à outra, a porcentagem cai. Um buraco negro com massa 1 solar, que se funde com um buraco negro com 1.000.000 de massa, perderá cerca de 0,0001% de sua energia por radiação.


A ideia do artista de duas estrelas orbitando uma à outra e gradualmente se fundindo, o que gera ondas gravitacionais. Esta é uma fonte provável de rajadas de raios gama de curta duração, bem como uma fonte de ondas gravitacionais.

Como resultado da aproximação e fusão da espiral, nada sai dos buracos negros, esse espaço-tempo é deformado sob a influência da energia gravitacional potencial. Na última fase da fusão, o horizonte de eventos assume a forma mais eficaz - uma esfera ou esferóide. É na última fração de segundo que a maior parte da energia é emitida, mas nenhuma partícula do interior do horizonte de eventos sai. As previsões de Einstein são muito precisas, e é por isso que conseguimos detectar essas ondas: calculamos qual sinal devemos esperar. Nossa intuição pode nos falhar, mas existem equações para isso. Mesmo quando nossos instintos nos enganam, os cálculos nos dão verdade científica.

Ethan Siegel - astrofísico, popularizador da ciência, autor de Starts With A Bang! Ele escreveu os livros "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ] e "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].