GW190521: um estalido de ondas gravitacionais que pode esconder um buraco de minhoca

Em 2019, os interferómetros LIGO e Virgo registaram um sinal de ondas gravitacionais verdadeiramente invulgar: um evento com duração inferior a um décimo de segundo.

Ao contrário dos longos sinais em “chilreio” (um aumento progressivo de frequência e amplitude) típicos de pares de buracos negros em órbitas que decaem lentamente, o que se observou foi mais parecido com um estalido súbito. A interpretação mais aceite para este episódio, baptizado GW190521, é a de um encontro fortuito - dois buracos negros que se apanharam “de passagem”, ficando presos pela gravidade mútua e acabando por colidir.

Como nascem os sinais de ondas gravitacionais (e porque o GW190521 é diferente)

As ondas gravitacionais que hoje conseguimos detectar são ondulações no tecido do espaço-tempo, produzidas por interacções extremas entre objectos muito massivos e compactos, como buracos negros e estrelas de neutrões.

Importa notar que não é apenas o choque final que gera o sinal. Num sistema binário, à medida que dois buracos negros orbitam e espiralam um na direcção do outro, os seus campos gravitacionais em interacção vão produzindo ondulações cada vez mais intensas: começam fracas e ganham força à medida que a separação diminui. Por isso, o “chilreio” típico tem uma forma de onda crescente.

No caso do GW190521, essa fase de aproximação (a parte “inspiral”) não apareceu no registo. E, atendendo à massa inferida para o evento - um remanescente equivalente a 142 vezes a massa do Sol - essa componente deveria, em princípio, ter sido observável. Foi este detalhe que levou muitos investigadores a concluir que os dois buracos negros não estavam num binário estável: estariam a passar relativamente perto um do outro quando foram “engolidos” por um poço gravitacional comum e acabaram por se fundir.

Uma hipótese mais exótica: buracos negros, buraco de minhoca e outro universo

Um novo trabalho propõe uma alternativa bastante mais ousada: o sinal seria o eco de uma colisão de buracos negros noutro universo, a reverberar através de um buraco de minhoca em colapso - um buraco de minhoca que teria surgido como resultado dessa própria fusão.

Para ser claro, a colisão de buracos negros no nosso Universo continua a ser a explicação preferida para este sinal estranho. Ainda assim, essa preferência não é suficientemente forte para excluir por completo o modelo do buraco de minhoca, segundo uma equipa liderada pelo físico Qi Lai, da Universidade da Academia Chinesa de Ciências, num manuscrito disponibilizado no repositório de pré-publicações arXiv.

Se o GW190521 fosse, de facto, indício de um buraco de minhoca, então eventos semelhantes não se limitariam a dar credibilidade a estas estruturas hipotéticas: poderiam também transformar-se numa ferramenta para investigar as suas propriedades físicas. O ponto decisivo é que tudo isto depende de um grande “se”.

O que mudaria no sinal se houvesse colapso de um buraco de minhoca?

Lai e colegas colocaram a questão de outra forma: e se, numa fusão binária de buracos negros, o objecto transitório formado fosse um buraco de minhoca que, pouco depois, colapsasse para originar o buraco negro final da fusão? Nesse cenário, em vez de um registo longo com a fase de aproximação e culminando no pico final, poderíamos receber apenas uma curta rajada de dados de ondas gravitacionais no momento do colapso do buraco de minhoca.

Para testar esta ideia, os investigadores construíram um modelo de forma de onda que representaria o sinal esperado nesse caso e compararam-no com os dados do LIGO e do Virgo. Em paralelo, criaram também uma forma de onda para uma fusão padrão de buracos negros em binário, de modo a confrontar ambos os cenários com as observações.

O resultado foi que o modelo de fusão binária de buracos negros se ajusta um pouco melhor ao sinal observado do que o modelo do buraco de minhoca - mas apenas por uma margem pequena. Na leitura dos autores, existe espaço suficiente para dúvida para que o cenário do buraco de minhoca permaneça em aberto. Isto implicaria que o GW190521 poderia representar a primeira ocasião em que a humanidade captou indícios de um universo para lá das fronteiras do nosso.

Prudência: buracos de minhoca exigem física exótica

Nada disto significa que devamos sair a afirmar que buracos de minhoca existem - até porque a própria hipótese tende a exigir ingredientes de física “exótica”, que não fazem parte do quadro mais conservador da relatividade geral aplicada a matéria comum.

O que estes resultados sugerem, isso sim, é que pode valer a pena continuar a explorar seriamente esta via: se houver mesmo assinaturas observáveis associadas a buracos de minhoca, a comparação sistemática de formas de onda poderá ajudar a separá-las dos cenários convencionais de fusões de buracos negros.

Comparar eventos rápidos e muito massivos: o caso do GW231123

Os autores apontam ainda um caminho prático para pôr estas ideias à prova: confrontar o GW190521 com outros eventos curtos e muito energéticos. O exemplo mais marcante até agora é o GW231123, a fusão de buracos negros mais massiva detectada até à data, que terá produzido um objecto com cerca de 225 vezes a massa do Sol. Tal como o GW190521, também foi um evento relativamente breve.

Segundo os investigadores, comparações detalhadas entre estes sinais - e com outros que ainda venham a ser detectados - podem permitir testar as suas conclusões e avaliar qual dos cenários (fusão binária padrão ou colapso de buraco de minhoca) se torna mais provável à luz de uma amostra maior.

O que poderá ajudar no futuro

À medida que os detectores de ondas gravitacionais forem acumulando mais eventos e melhorando a sensibilidade, será possível restringir com mais rigor as formas de onda compatíveis com cada hipótese. Além disso, a detecção de sinais semelhantes em diferentes configurações instrumentais, ou a coincidência com outros tipos de observação (quando existirem contrapartidas electromagnéticas), poderá reforçar ou enfraquecer explicações mais especulativas, como a do buraco de minhoca.

A investigação referida encontra-se disponível como pré-publicação no servidor arXiv.