Dois buracos negros se fundem

Como dois buracos negros se aproximam em espiral, sacodem o próprio espaço e foram ouvidos na Terra 1,3 bilhão de anos depois

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Passo a passo

Um par de buracos negros

Cada um é o que resta de uma estrela massiva. O horizonte do maior tem cerca de 210 km de diâmetro e o do menor cerca de 170 km, não mais largo que uma cidade; ainda assim, em volta de cada um, a luz das estrelas ao fundo se curva em arcos e anéis. Ainda se discute como dois buracos assim passam a girar juntos: podem ter nascido como um par de estrelas gigantes ou se encontrado num aglomerado de estrelas muito denso.

Nada os empurra de fora. A órbita perde energia para as ondulações que cria no próprio espaço e por isso encolhe, devagar no início e depois cada vez mais depressa. A esta distância, restam-lhes cerca de cinquenta minutos.

Ondas no espaço

Enquanto giram, sacodem o próprio espaço. Ondas gravitacionais se espalham à velocidade da luz, esticando o espaço numa direção e comprimindo-o na outra, duas vezes a cada volta.

A teoria da relatividade geral de Albert Einstein previu essas ondas em 1916. Toda massa que muda de movimento as emite, mas só massas enormes que se movem muito depressa produzem ondas fortes o bastante para importar. Aqui elas são desenhadas no plano da órbita, em dourado onde o espaço é esticado e em azul onde é comprimido; cada parte mostra o que o par fazia quando aquela parte da onda partiu.

As ondas levam energia embora, e essa energia sai da órbita. Mesmo assim, a um milhão de quilômetros elas esticam o espaço em apenas cerca de uma parte por milhão. Essas ondas lentas, que sobem e descem cerca de uma vez por segundo, são lentas demais para qualquer detector na Terra perceber.

Cada vez mais depressa

Tempo acelerado: ao encolher, a órbita acelera e as ondas ficam mais fortes. Nos seus últimos cinquenta minutos, os buracos passam de 10.000 km de distância para cerca de 900, girando 17 vezes por segundo.

Quanto mais próximos os buracos, mais rápido se movem e mais fortes são as ondas que emitem, e assim a órbita perde energia ainda mais depressa. A espiral se descontrola: a maior parte destes cinquenta minutos se passa em voltas largas e lentas, e os últimos mil quilômetros duram menos de um terço de segundo.

O tom das ondas é o dobro das voltas por segundo da órbita. Quando passa de cerca de 30 ciclos por segundo, rápido o bastante para os detectores do LIGO, os buracos se movem a um terço da velocidade da luz um em relação ao outro.

O último quinto de segundo

Desacelerado cerca de setenta vezes: no seu último quinto de segundo, os buracos dão mais cinco voltas e se aproximam até cerca de 320 km, a mais da metade da velocidade da luz.

Esta é a parte das ondas que o LIGO ouviu: cerca de dez ciclos num quinto de segundo, com o tom subindo de cerca de 35 para 150 ciclos por segundo e a intensidade crescendo o tempo todo. Transformada em som, sobe como o trinado de um pássaro, e é assim que os cientistas a chamam: “chirp”.

Tão próximos, os buracos curvam o espaço com tanta força que as fórmulas simples da espiral deixam de valer. Só supercomputadores resolvendo as equações de Einstein conseguem segui-los até o fim. Os cientistas encontraram as massas, 36 e 29 sóis, comparando o que o LIGO mediu com milhares dessas simulações.

Dois viram um

Os horizontes se tocam e se fundem. O equivalente a três sóis de massa já virou ondas gravitacionais, a maior parte no último quinto de segundo; no seu pico, elas carregam mais potência do que todas as estrelas do universo observável.

No pico, as ondas levam cerca de 3,6 × 10⁴⁹ watts, umas cinquenta vezes a luz de todas as estrelas do universo observável juntas, mas só por alguns milésimos de segundo. Ao todo, 36 e 29 sóis viraram um buraco de 62: os três que faltam partiram como ondas.

A fusão em si é desenhada aqui de forma simples. Simulações em supercomputadores mostram o que acontece de verdade: os dois horizontes se juntam num só, deformado, que logo se ajeita. Em nenhum momento escapa algo além das ondas: dois buracos negros que se fundem no espaço vazio não emitem luz nenhuma.

Um buraco negro

Resta um único buraco negro de 62 sóis, cujo horizonte gira cerca de 100 vezes por segundo. Ele soou como um sino golpeado, a cerca de 250 ciclos por segundo, e se calou quase de imediato.

Esse som é o novo horizonte ganhando forma. Seu tom e a rapidez com que se apaga dependem só da massa e da rotação do buraco, exatamente como prevê a relatividade geral, e o que o LIGO ouviu confere.

Stephen Hawking mostrou em 1971 que a área total dos horizontes dos buracos negros nunca pode diminuir. Aqui os dois horizontes somavam cerca de 230.000 km²; o novo tem cerca de 370.000 km², mais, embora três sóis de massa tenham sido perdidos. Em 2025, uma fusão mais nítida, GW250114, confirmou isso com mais clareza do que nunca.

Rumo ao universo

As ondas se afastam à velocidade da luz, enfraquecendo à medida que se espalham. Em pouco mais de um segundo, percorreram a distância da Terra à Lua; em oito minutos, a da Terra ao Sol.

Sua intensidade cai na mesma proporção da distância: dez vezes mais longe, dez vezes mais fracas. Ao contrário da luz, atravessam estrelas, gás e poeira como se não houvesse nada, e por isso chegam como partiram, só que mais fracas.

Viajaram por 1,3 bilhão de anos. Quando partiram, a vida na Terra ainda era quase toda de seres unicelulares. No caminho o universo cresceu e as esticou junto: chegaram 9% mais longas e mais graves do que partiram, algo que os cientistas levam em conta ao calcular as massas.

O LIGO ouve

Em 14 de setembro de 2015, às 09:50:45 UTC, as ondas varreram a Terra vindas do céu austral. O detector do LIGO em Livingston, na Louisiana, as sentiu primeiro; o de Hanford, em Washington, a 3.000 km, 7 milésimos de segundo depois.

Cada detector do LIGO é um L de dois braços de 4 km, com luz laser indo e voltando em cada um. Uma onda que passa estica um braço enquanto comprime o outro; no pico, esses braços mudaram de comprimento cerca de um milésimo da largura de um próton, e o LIGO mediu isso.

Como as ondas viajam à velocidade da luz, os 7 ms entre os detectores situaram a fonte num anel do céu austral; dois detectores não podiam dizer mais. Era noite na América: 4h50 da manhã na Louisiana. Aqui o tempo corre cerca de sessenta vezes mais devagar.

Centenas mais

Foi a primeira vez que alguém detectou ondas gravitacionais, um século depois de Einstein prevê-las. Até 2025 os detectores já tinham ouvido cerca de 300 fusões de buracos negros, uma a cada poucos dias.

A descoberta rendeu a Rainer Weiss, Barry Barish e Kip Thorne o Prêmio Nobel de Física de 2017. O LIGO agora escuta junto com o Virgo, na Itália, e o KAGRA, no Japão: com três ou mais detectores, uma fonte pode ser localizada no céu com muito mais precisão.

O par mais pesado ouvido até agora, GW231123, formou um buraco negro de cerca de 225 sóis. Em 2017, duas estrelas de nêutrons foram ouvidas colidindo, e telescópios captaram depois a luz da explosão, onde se forjam elementos pesados como o ouro.