Ecos de buracos negros revelariam uma ruptura com a teoria de Einstein

Por Sabine Hossenfelder. Via Quanta Magazine.

Ondas gravitacionais abriram novas maneiras de testar as propriedades dos buracos negros - e a teoria da gravidade de Einstein juntamente com eles.

Todos nós físicos sonhamos o mesmo sonho. Sonhamos com o dia em que uma de nossas equações sejam plotadas em relação a dados e ajustada à situação. É raro que esse sonho se torne realidade. Mesmo se isso acontecer, alguns não viverão para ver isso.

Tomemos, por exemplo, Albert Einstein, que faleceu em 1955, 60 anos antes de a consequência mais impressionante de suas equações ser confirmada: o espaço-tempo tem ondulações periódicas - ondas gravitacionais - que podem transportar energia através de bilhões de anos-luz.

Desde a colisão do buraco negro em setembro de 2015, a equipe do Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro a Laser (LIGO) relatou mais cinco eventos (um sexto ficou aquém do padrão de significância). Mas os dados do LIGO ainda são território virgem. É uma maneira inteiramente nova de decodificar o universo, e os físicos devem desenvolver métodos de análise de dados junto com as medições.

Não é uma tarefa simples. Medir ondas gravitacionais não é o tipo de descoberta que você faz por acaso. Mas agora que eles têm os dados, os físicos conseguiram extrair insights sobre a astrofísica de buracos negros e estrelas de nêutrons, incluindo sua localização, composição e massas. Eles mediram a expansão do universo e fizeram novos testes de precisão da teoria geral da relatividade de Einstein. A teoria passou todos os testes - até agora.

Mas as mesmas medidas que confirmaram tão espetacularmente a teoria de Einstein também poderiam, talvez, revelar onde ela está errada.

Os físicos sabem que a relatividade geral se rompe perto do centro de um buraco negro. No entanto, o centro de um buraco negro é, notoriamente, um lugar onde nunca podemos olhar. É protegido pelo horizonte do buraco negro - a superfície que circunda o buraco negro do qual a luz nunca pode escapar. Na relatividade geral, o horizonte do buraco negro não tem substância; não apresenta nenhum obstáculo. O buraco negro simplesmente engole o que ousa passar pelo horizonte.

A maioria dos físicos acredita que a relatividade geral descreve corretamente os horizontes dos buracos negros. No entanto, alguns argumentaram que as contradições entre a relatividade geral e a teoria quântica significam que alguma outra coisa poderia estar acontecendo. Em particular, a alegação de que os buracos negros estão cercados por um “firewall”, embora controversa, estimulou o trabalho em descrições alternativas do horizonte.

Se o horizonte de um buraco negro é obstruído por algo como um firewall, então o horizonte poderia refletir ondas gravitacionais. Se assim fosse, então o LIGO deveria ver evidências para essas modificações. Em particular, uma colisão entre dois buracos negros deve produzir um eco.

Essa é a idéia básica apresentada por dois grupos independentes de físicos, um liderado por Vítor Cardoso e outro por Niayesh Afshordi. Usando modelos simples para um horizonte com substância, os pesquisadores mostraram que algumas das ondas gravitacionais emitidas por uma colisão de buraco negro deveriam refletir de volta para o centro do buraco negro. As ondas então refletiriam novamente para fora, onde algumas seriam novamente refletidas no horizonte. O buraco negro agiria como uma cavidade ressonante com um espelho semitransparente em uma extremidade. Emitiria sinais periódicos com amplitude decrescente como um eco de luz.

Isso em teoria. E quanto aos dados? No final de 2016, Afshordi e colaboradores aplicaram uma análise personalizada aos dados do LIGO disponíveis publicamente e procuraram evidências de ecos. Surpreendentemente, eles encontraram ecos exatamente onde os procuravam. O sinal não foi altamente significativo - os pesquisadores estimaram uma chance em 100 de que o sinal era apenas ruído - mas um sinal, no entanto.

Isto é uma grande afirmação, uma ousada afirmação. Se estiver correta, seria a evidência para o fracasso da teoria de Einstein.

Poucas semanas após o grupo de Afshordi ter publicado seu artigo, os membros da colaboração LIGO deram uma resposta, levantando preocupações sobre a análise de Afshordi. A equipe do LIGO, em seguida, partiu para fazer seu próprio estudo. Mas grandes colaborações funcionam lentamente e demorou mais de um ano até que pudessem concluir a análise e obter a aprovação da colaboração para publicar o trabalho.

A análise LIGO está agora disponível. Os pesquisadores descobriram o eco, mas com menor significância estatística do que antes. Eles concluíram que há uma chance de 1 em 50 de que o eco seja apenas ruído. Além disso, o estudo encontrou a evidência mais forte para um eco em um evento particular - o evento que tem o menor significado. Quando eles removem esse evento da amostra, a probabilidade de que o eco não seja real aumenta para quase 20%.

Para que essa análise de dados seja factível, os físicos devem fazer suposições sobre o sinal que eles pesquisam. Inspirados pelo modelo de Afshordi, os pesquisadores supuseram que os ecos deveriam ocorrer em intervalos regulares, que decaem exponencialmente e que permanecem inalterados (além da diminuição da amplitude). Em muitos aspectos, eles estão procurando o eco mais simples possível.

Os teóricos agora podem revisar a análise de dados e desenvolver hipóteses que se ajustassem melhor aos dados. Mas a repetição repetida dos mesmos dados traz um grande risco: em vez de desenvolver uma teoria melhor, eles poderiam simplesmente encontrar uma maneira de amplificar melhor o ruído.

Quanto mais tipos de ecos eles procuram, maior a probabilidade de encontrar algo. Mas essas tentativas repetidas irão tornar as medidas de significância estatística incertas.

A única maneira de superar esse impasse são os novos dados. Levará muito mais iterações dessa troca entre teoria e experimento antes que o caso possa ser resolvido.

Até agora, tanto os experimentalistas quanto os teóricos acharam a troca frutífera. "Estamos indo em frente com força total, modelando os ecos teoricamente e encontrando melhores maneiras de procurá-los", disse Afshordi, o autor do estudo original. Ele também disse que outro grupo encontrou evidências de ecos nos dados do LIGO, alegando um risco inferior a 1% de um falso positivo.

Enquanto isso, Ofek Birnholtz , pesquisador da colaboração LIGO, disse que “certamente houveram tensões”, mas a ideia de que os buracos negros ecoam “sem dúvida, vale a pena investigar melhor”. Uma busca por ecos de buracos negros se tornou uma das objetivos oficiais da Colaboração Científica LIGO.

Todos sonhamos o mesmo sonho, aqui na física teórica.

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