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Os buracos negros, algumas das entidades mais cativantes do cosmos, possuem uma imensa atração gravitacional tão forte que nem mesmo a luz pode escapar. A detecção inovadora de ondas gravitacionais em 2015, causadas pela coalescência de dois buracos negros, abriu uma nova janela para o universo. Desde então, dezenas de tais observações provocaram a busca entre os astrofísicos para entender suas origens astrofísicas. Graças aos recentes avanços do código POSYDON na simulação de populações de estrelas binárias, uma equipe de cientistas, incluindo alguns da Universidade de Genebra (UNIGE), Northwestern University e da Universidade da Flórida (UF) previu a existência de fusão maciça, 30 solares binários de buracos negros em massa em galáxias semelhantes à Via Láctea, desafiando as teorias anteriores. Esses resultados são publicados em Astronomia da Natureza.
Buracos negros de massa estelar são objetos celestes nascidos do colapso de estrelas com massas de algumas a poucas centenas de vezes a do nosso sol. Seu campo gravitacional é tão intenso que nem a matéria nem a radiação podem evitá-los, tornando sua detecção extremamente difícil. Portanto, quando as minúsculas ondulações no espaço-tempo produzidas pela fusão de dois buracos negros foram detectadas em 2015, pelo Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), foi saudado como um divisor de águas. De acordo com os astrofísicos, os dois buracos negros que se fundiram na origem do sinal tinham cerca de 30 vezes a massa do Sol e estavam localizados a 1,5 bilhão de anos-luz de distância.
Teoria da ponte e observação
Que mecanismos produzem esses buracos negros? Eles são o produto da evolução de duas estrelas, semelhantes ao nosso sol, mas significativamente mais massivas, evoluindo dentro de um sistema binário? Ou eles resultam de buracos negros em aglomerados estelares densamente povoados que se encontram por acaso? Ou um mecanismo mais exótico pode estar envolvido? Todas essas questões ainda são muito debatidas hoje.
A colaboração POSYDON, uma equipe de cientistas de instituições como a Universidade de Genebra (UNIGE), Northwestern e a Universidade da Flórida (UF), fez avanços significativos na simulação de populações de estrelas binárias. Este trabalho está ajudando a fornecer respostas mais precisas e conciliar previsões teóricas com dados observacionais. “Como é impossível observar diretamente a formação de buracos negros binários em fusão, é necessário contar com simulações que reproduzam suas propriedades observacionais. Fazemos isso simulando os sistemas estelares binários desde o nascimento até a formação do buraco negro binário. sistemas”, explica Simone Bavera, pesquisadora de pós-doutorado do Departamento de Astronomia da Faculdade de Ciências da UNIGE e principal autora deste estudo.
Ultrapassando os limites da simulação
A interpretação das origens da fusão de buracos negros binários, como os observados em 2015, requer a comparação de previsões de modelos teóricos com observações reais. A técnica usada para modelar esses sistemas é conhecida como “síntese de população binária”. “Esta técnica simula a evolução de dezenas de milhões de sistemas estelares binários para estimar as propriedades estatísticas da população de fontes de ondas gravitacionais resultantes. No entanto, para conseguir isso em um período de tempo razoável, os pesquisadores até agora confiaram em modelos que usam métodos aproximados para simular a evolução das estrelas e suas interações binárias. Portanto, a simplificação excessiva da física estelar simples e binária leva a previsões menos precisas”, explica Anastasios Fragkos, professor assistente do Departamento de Astronomia da Faculdade de Ciências da UNIGE.
POSYDON superou essas limitações. Projetado como software de código aberto, ele utiliza uma grande biblioteca pré-computada de simulações detalhadas de estrela única e binária para prever a evolução de sistemas binários isolados. Cada uma dessas simulações detalhadas pode levar até 100 horas de CPU para ser executada em um supercomputador, tornando essa técnica de simulação não diretamente aplicável à síntese de população binária. “No entanto, ao pré-computar uma biblioteca de simulações que cobrem todo o espaço de parâmetros das condições iniciais, o POSYDON pode utilizar esse extenso conjunto de dados junto com métodos de aprendizado de máquina para prever a evolução completa dos sistemas binários em menos de um segundo. Essa velocidade é comparável àquela de códigos de síntese populacional rápida da geração anterior, mas com maior precisão”, explica Jeffrey Andrews, professor assistente do Departamento de Física da UF.
Apresentando um novo modelo
“Modelos anteriores ao POSYDON previram uma taxa de formação insignificante de fusão de buracos negros binários em galáxias semelhantes à Via Láctea, e eles particularmente não anteciparam a existência de fusão de buracos negros tão massivos quanto 30 vezes a massa do nosso sol. POSYDON demonstrou que esses buracos negros maciços podem existir em galáxias parecidas com a Via Láctea”, explica Vicky Kalogera, professora de Física e Astronomia da Daniel I. Linzer Distinguished University no Departamento de Física e Astronomia da Northwestern, diretora do Centro de Exploração e Pesquisa Interdisciplinar em Astrofísica (CIERA), e co-autor deste estudo.
Modelos anteriores superestimaram certos aspectos, como a expansão de estrelas massivas, que impacta sua perda de massa e as interações binárias. Esses elementos são ingredientes-chave que determinam as propriedades da fusão de buracos negros. Graças à estrutura estelar detalhada e totalmente autoconsistente e às simulações de interação binária, o POSYDON obtém previsões mais precisas da fusão de propriedades de buracos negros binários, como suas massas e spins.
Este estudo é o primeiro a utilizar o recém-lançado software POSYDON de código aberto para investigar a fusão de buracos negros binários. Ele fornece novos insights sobre os mecanismos de formação de fusão de buracos negros em galáxias como a nossa. A equipe de pesquisa está desenvolvendo uma nova versão do POSYDON, que incluirá uma biblioteca maior de simulações estelares e binárias detalhadas, capaz de simular binários em uma ampla gama de tipos de galáxias.
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