As fusões do buraco negro mostram um link matemático estranho para a teoria das cordas

Uma decora atrás, astrofísicos no Observatório de Ondas Gravitacionais de Interferômetro a laser (LIGO), operado pelo Instituto de Tecnologia da Califórnia e pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts, conseguiu detectar ondulações sutis no espaço de tempo chamadas ondas gravitacionais, lançadas por um par de peças negras em cada uma delas, pela primeira vez. Essa descoberta impressionante-que ganhou o Prêmio Nobel de Física de 2017-se tornou comum, com pesquisadores detectando regularmente ondas gravitacionais de inúmeras fontes celestes distantes.

E, à medida que o número de observações de ondas gravitacionais aumentou, a modelagem cuidadosa dos físicos está revelando novos detalhes sobre suas origens misteriosas. Alguns dos eventos de ondas gravitacionais mais intrigantes, ao que parece, podem surgir não de colisões catastróficas, mas de quase acidentes. Além disso, esses chamados próximos cósmicos podem ser melhor compreendidos usando conceitos derivados da teoria das cordas – uma teoria nocional de tudo o que postula que toda a natureza é fundamentalmente composta por inúmeras cordas subatômicas contornadas. Isso marca indiscutivelmente a primeira ligação até o momento entre um aspecto matemático central da teoria arcana e astrofísica do mundo real.

Pelo menos, essa é a conclusão de uma equipe internacional de pesquisadores que aplicaram estruturas geométricas inspiradas na física de partículas e teoria das cordas ao comportamento dos buracos negros quando os objetos colossais passam e se desviam de perto. Tais interações entre buracos negros ou estrelas de nêutrons (remanescentes compactos de estrelas maciças explodidas) podem ser estudadas através do ângulo de deflexão, a energia liberada através da quase machuca e o momento do recuo dos objetos – todos os quais podem ser discernidos em ondas gravitacionais. Os resultados da equipe foram publicados na revista Natureza na quarta -feira.

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Buracos negros como partículas

Em seu estudo, os pesquisadores usaram uma classe obscura de funções matemáticas abstratas para resolver as equações formidáveis ​​envolvidas na determinação da energia irradiada de uma quase machucada. “Você precisa dessas novas funções, que, em matemática e física matemática, foram estudadas intensamente, mas, até o momento, não apareceram em nenhum observável físico real. É isso que o torna bastante interessante”, diz Jan Plefka, físico teórico da Universidade Humboldt de Berlim e co-autora do novo estudo. Essas funções obscuras, conhecidas como variedades de Calabi-Yau, nunca foram mostradas como diretamente relevantes para as descrições de fenômenos astrofísicos reais antes.

Nos anos desde a detecção inicial do LIGO, dois grandes observatórios adicionais de ondas gravitacionais, a Virgem da Europa e o detector de ondas gravitacionais do Japão (KAGRA), do Japão, ficaram online. Juntos, eles formam a colaboração internacional de Ligo-Virgo-Kagra e acumularam detecções de quase 300 eventos de ondas gravitacionais na última década, principalmente de colar pares de buracos negros. Também chamados de “fusões” do buraco negro, esses eventos são o momento cacofonoso em que esses densos gigantes gravitacionais se esmagam para formar uma besta maior e maior. Plefka e seus colegas estão estudando diferentes interações conhecidas como eventos de “dispersão”, que ocorrem quando os buracos negros emparelhados se deslizam, geralmente em prelúdio de sua eventual coalescência. Durante esses encontros estreitos, a gravidade conflita dos buracos negros faz com que cada um acelere o outro, gerando um sinal significativo de onda gravitacional, mas os objetos são suficientemente separados para evitar a fusão.

Não é por acaso que isso se assemelha a partículas elementares que se desviam. “Você pode usar as técnicas desenvolvidas para a dispersão de objetos microscópicos para descrever essa dispersão de macroscópicos”, diz Plefka. Considerado de longe o suficiente, muito além do horizonte de eventos – aquela região crucial na qual nem a matéria nem a luz podem escapar – um buraco negro pode ser modelado como um ponto de partícula com massa e rotação, embora que gera ondas gravitacionais e não eletromagnéticas.

Nessa base, Plefka e seus colegas aplicaram técnicas da teoria quântica de campo que são mais tipicamente usadas para analisar o comportamento das partículas elementares. “Estamos construindo em décadas de trabalho que foram feitas para fazer previsões para experimentos de colisor”, diz Gustav Mogull, físico de partículas da Queen Mary University of London e um dos co-autores de Plefka.

Mais perto de realidades complexas

O objetivo da equipe era trazer suas aproximações numéricas o mais próximo possível de espelhar a realidade – o que, é claro, tende a ser mais confuso. Para fazer isso, Mogull, Plefka e sua equipe trabalharam para aumentar a complexidade de seus cálculos. Neste trabalho, os pesquisadores incorporaram cinco níveis dessa complexidade-ao que é conhecido como a quinta ordem de precisão pós-pós-pós-mecanismo-para descrever os ângulos de dispersão dos pares de buracos negros, suas energias irradiadas e seus recuo.

É aqui que as estruturas geométricas Calabi-yau, normalmente associadas à teoria das cordas, entram. Na teoria das cordas, as geometrias Calabi-Yau envolvem a compactação de dimensões mais altas. Aqui, eles não são meramente abstrações, mas emergem dos cálculos dos pesquisadores de espalhamento do buraco negro. Talvez seja irônico que a teoria das cordas, notoriamente ridicularizada como inestável, tenha originado as estruturas matemáticas de relevância para a física mensurável longe do reino rarefeito das cordas.

Qualquer função matemática está associada a algum tipo de geometria, explica Mogull – e à medida que a função aumenta na complexidade, também faz sua geometria. No caso de algo básico, como as funções senoidal ou cosseno usadas na trigonometria, que a geometria é um círculo simples. As funções elípticas, por outro lado, implicam uma geometria em forma de massa chamada um toro, que também é um calabi-yau. Acontece que as funções MOGULL, PLEFKA e sua equipe desenvolvidas para espalhamento de buracos negros estão associados às estruturas triplo Calabi-Yau, que envolvem superfícies quadrimensionais. “Eu não acho que a aparência de Calabi-yaus foi que inesperado em nossa comunidade. Eu diria que isso representa a confirmação de algo que as pessoas suspeitavam, mas ainda não foram verificadas ”, diz Mogull.

Para demonstrar a utilidade de sua abordagem em seu estudo, Plefka, Mogull e seus colegas comparam suas aproximações de ângulos de dispersão do buraco negro com outros, presumivelmente mais precisos que foram derivados de simulações numéricas. Tais simulações podem demorar muito tempo para executar, mesmo em supercomputadores de última geração-daí a busca por aproximações precisas. A aproximação de ordem mais alta da equipe corresponde de perto com os resultados do número de supercomputadores que acabam com os casos de buracos negros que se desviam suavemente em grandes distâncias. Mas quando os buracos negros se aproximam de uma colisão frontal, os cálculos da equipe começam a divergir das simulações numéricas.

A estrada à frente

Esse trabalho pode parecer um exercício puramente acadêmico, mas, de fato, a pesquisa pode ser vital para fazer novas descobertas. Os sinais de espalhamento de buracos negros e estrelas de nêutrons devem estar ao alcance da próxima geração de detectores de ondas gravitacionais que devem entrar on-line no final da década de 2030. These detectors, which will also need a new generation of models called waveform templates to discern true gravitational-wave signals from a sea of ​​cosmic and terrestrial noise, include the proposed Einstein Telescope in Europe and Cosmic Explorer in the US The latter, like LIGO, is supported by the National Science Foundation, and so far these kinds of gravitational-wave projects have avoided being directly targeted by the Trump administration’s aggressive Cortes propostos na ciência financiada pelo governo federal.

A perspectiva do trabalho de melhorar nossa compreensão das fontes de ondas gravitacionais excita cientistas que estão se preparando para essa nova onda de detectores. Eles incluem Jocelyn Read, um físico da California State University, Fullerton, que trabalha com o Projeto Cósmico Explorer. “As instalações de próxima geração podem medir sinais próximos com fidelidade requintada”, diz ela. (Aqui “nas proximidades” significa “dentro de alguns bilhões de anos-luz”.) “Portanto, ter previsões muito precisas e precisas de nossas teorias atuais são definitivamente necessárias para testá-las contra esses tipos de observações futuras”, acrescenta Read.

No entanto, ela também pede cautela ao avaliar a importância de Plefka, Mogull e o trabalho de seus colegas. “Se eles estão falando sobre implicações para a astronomia das ondas gravitacionais, há mais algumas etapas necessárias”, diz ela. E sua equipe também tem concorrentes, incluindo alguns que estão implantando simulações numéricas próprias.

Esses tipos de métodos aproximados podem eventualmente informar os modelos de forma de onda que são tão cruciais para filtrar o ruído nos próximos detectores de ondas gravitacionais, diz Plefka. Geraint Pratten, físico do LIGO da Universidade de Birmingham, na Inglaterra, concorda. “Eu acho que é um cálculo heróico do grupo. Isso fornecerá muitas informações sobre como podemos estruturar modelos de forma de onda de próxima geração”, diz ele. Pratten acrescenta que mais trabalho precisará ser feito para superar as limitações do novo estudo. Por exemplo, o artigo se concentra em buracos negros sem girar e aqueles que passam por dispersão “não ligada”, o que significa que eles se desviam e nunca mais se encontram. Na realidade, pensa -se que a maioria, se não todos, os buracos negros giram, e geralmente os eventos de dispersão precedem uma eventual fusão.

Mas, de qualquer forma, ele acredita que algumas ondas gravitacionais do buraco negro e as deflexões das estrelas de nêutrons acabarão sendo detectáveis, como através de observações de aglomerados globulares, onde esses objetos densos são embalados em um pequeno espaço, cosmicamente falando.

Para Plefka, Mogull e seus colegas, esta versão macroscópica da teoria do campo quântico ainda é um campo jovem, e existem muitos novos tipos de cálculos astrofisicamente relevantes que eles e outros podem fazer. Essas estruturas esotéricas Calabi-Yau, anteriormente na fronteira da física teórica, podem ser apenas o começo. “Você teve toda essa nova classe de funções matemáticas – essas coisas teóricas que apareceram na teoria das cordas”, diz Mogull. “E estamos dizendo: ‘Olha, isso é tangível. Essa (energia irradiada por dispersão) é algo que você pode tentar detectar, tente medir. Isso é real Física agora. ‘”