Uma equipa internacional liderada pelo Instituto de Física de Altas Energias (IGFAE) da Universidade de Santiago de Compostela, em Espanha, mediu em conjunto pela primeira vez a velocidade de "recuo" e a direção dos buracos negros após a sua fusão. Este resultado foi publicado na Nature Astronomy. A investigação mostra que as ondas gravitacionais não só transportam energia, mas também impulso, dando ao buraco negro final um recuo "inicial" após a fusão dos buracos negros, permitindo-lhe mover-se através do Universo a uma velocidade considerável.

As ondas gravitacionais são ondulações no espaço-tempo previstas por Einstein em sua teoria geral da relatividade de 1916. Quando corpos celestes extremamente densos e massivos, como os buracos negros, colidem violentamente, essas flutuações serão estimuladas e espalhadas em todas as direções do universo. Como as ondas gravitacionais carregam a energia e o momento do sistema, uma vez que a radiação das ondas não é completamente simétrica na distribuição espacial, o buraco negro resultante recuará sob o impulso "desequilibrado", que também é vividamente chamado de "o buraco negro foi chutado". A força do recuo está intimamente relacionada com a massa e rotação dos dois buracos negros iniciais, enquanto a direção do recuo depende da configuração geométrica de todo o sistema no espaço.

No passado, os cientistas conseguiam medir principalmente alguns parâmetros geométricos, como a inclinação orbital, a partir de sinais de ondas gravitacionais. Outro ângulo chave, o ângulo azimutal, tem sido difícil de obter com precisão. Esta equipe de pesquisa descobriu que os “modos de ordem superior” nas ondas gravitacionais contêm informações geométricas que antes eram difíceis de ler, que podem ser usadas para restaurar esse ângulo ausente e calcular a direção tridimensional do recuo.

Os pesquisadores usaram o evento de onda gravitacional GW190412, que foi detectado conjuntamente pelos observatórios Advanced LIGO e Virgo em 2019, como amostra para verificar o método. Neste caso, as massas dos dois buracos negros obviamente não são iguais, pelo que mostram características de modo de ordem superior claramente discerníveis no sinal, o que é muito adequado para análises detalhadas. Através de simulações numéricas precisas baseadas nas equações de Einstein, a equipe calculou que a velocidade de recuo do buraco negro fundido excede 50 quilômetros por segundo, o que é rápido o suficiente para escapar de alguns aglomerados estelares densos (como alguns aglomerados estelares globulares). O factor Bayes dado pela análise estatística é de cerca de 21, correspondendo a um nível de confiança de cerca de 95%, o que fornece um forte apoio a esta conclusão.

Ao determinar a velocidade, a equipe também comparou a direção do recuo com direções de referência, como o eixo da órbita do sistema e a direção de observação da Terra. Os resultados mostraram que o “chute” não ocorreu ao longo do plano orbital, nem foi apontado diretamente para a Terra, mas sim em uma direção intermediária entre os dois. O professor Juan Calderon-Bustillo, um dos integrantes do projeto, fez uma analogia: o sinal da onda gravitacional é como uma orquestra. Dependendo da posição de uma pessoa, os “instrumentos” ouvidos serão diferentes, e essa “diferença de tom e cor” ajuda os cientistas a reconstruir a trajetória do movimento do buraco negro no espaço tridimensional. Kustav Chandra, da Universidade Estadual da Pensilvânia, apontou que este método é equivalente a reconstruir o verdadeiro movimento de corpos celestes a bilhões de anos-luz de distância, usando apenas "ondulações" no espaço e no tempo.

O autor disse que tais medições precisas de recuo são particularmente importantes para estudar fusões de buracos negros que ocorrem em ambientes especiais. Por exemplo, em núcleos galácticos ativos com discos de acreção, as fusões de buracos negros podem ser acompanhadas por sinais como luz visível e radiação eletromagnética. Se podemos observar estes flashes depende em grande parte da relação geométrica relativa entre a direção do recuo e a Terra. Portanto, conhecer a direção do recuo pode ajudar os astrônomos a julgar se um determinado evento de onda gravitacional e uma explosão eletromagnética realmente vêm do mesmo evento cósmico ou se é apenas uma coincidência no tempo.

A equipe de pesquisa acredita que este trabalho marca que a astronomia das ondas gravitacionais está gradualmente saindo do estágio de “apenas ocorrem fusões auditivas” e entrando em um novo estágio que pode mapear meticulosamente a estrutura espacial e os processos dinâmicos dos eventos. No futuro, à medida que a sensibilidade do detector aumenta e as amostras de eventos aumentam, a medição simultânea da velocidade de recuo e da direcção dos buracos negros tornar-se-á um método de rotina, ajudando a comunidade científica a compreender mais claramente como os buracos negros crescem e migram no Universo, e moldam a evolução das galáxias e estruturas de grande escala.