Procurando por ondas gravitacionais de ECOs

Título: Gravitational-wave signatures of exotic compact objects and of quantum corrections at the horizon scale

Autores: Vitor Cardoso, Seth Hopper, Caio F. B. Macedo, Carlos Palenzuela, Paolo Pani

Instituição do primeiro autor: Universidade de Lisboa, Portugal

Status: Aceito pelo Physical Review D [acesso aberto]

Um objeto compacto exótico (ou ECO, do inglês exotic compact object) é composto de matéria que não elétrons, prótons ou múons. Vários objetos astronômicos exóticos foram propostos, como estrelas de quarks, bósons ou préons, mas ainda não se detectou nenhum – nem sequer temos certeza de que existem! Até recentemente, detectar objetos como esses que não emitem radiação eletromagnética significativamente era desafiador para astrônomos e possível apenas indiretamente. Contudo, com o advento do campo de astronomia de ondas gravitacionais, temos a habilidade de detectar diretamente ECOs, se eles de fato existem – apenas precisamos saber pelo que buscar!

Mas por que estudar ECOs, se nem sequer sabemos se são reais? Mesmo como objetos puramente hipotéticos, eles são úteis como modelos de brinquedo para testar consequências da relatividade geral. Além disso, eles poderiam ter um papel na solução de um dos maiores mistérios do Universo: estrelas de bósons, por exemplo, são consideradas como candidatos a matéria escura. E se eles realmente existem, precisamos ser capazes de distinguir as ondas gravitacionais que eles emitem das ondas de outros objetos conhecidos.

Isso nos traz ao astroponto de hoje. Os autores simularam o escape de um pacote de onda do potencial gravitacional de diferentes modelos de ECOs e observaram que, qualitativamente, objetos ultra-compactos têm uma assinatura universal em sua resposta, mas os ECOs possuem um diferencial em relação a ondas gravitacionais emitidas por buracos negros.

Ecos de ECOs

A Figura 1 compara distorção do espaço-tempo devido aos campos gravitacionais do Sol, de uma estrela de nêutrons e de um buraco negro; pode-se ver que quando a mesma massa está acumulada em uma região mais compacta, o poço gravitacional é mais profundo. De certa forma, ECOs estão no meio do caminho entre objetos compactos convencionais (como anãs brancas e estrelas de nêutrons) e buracos negros (em que toda a massa foi compactada em uma singularidade devido ao colapso gravitacional). ECOs não são estruturas pontuais, mas têm o potencial para serem compactos o suficiente para exibir propriedades similares a buracos negros. Por exemplo, ECOs podem tem esferas de fótons, que apenas existem ao redor de objetos ultra-compactos, quando fótons são capturados em órbitas ao seu redor.

Figura 1: ilustração da deformação do espaço-tempo ao redor do Sol, de uma estrela de nêutrons e de um buracos negro. Se a mesma quantidade de massa é acumulada em uma região menor do espaço, haverá um efeito mais significante no campo gravitacional e consequentemente uma distorção maior do espaço-tempo ao redor. Fonte da imagem: http://bit.ly/1R2377H.

Quando você atinge um sino, ele vibra; a superfície do sino oscila entre diferentes configurações até que a vibração é amortecida e o som para. Da mesma forma, se você “atinge” um buraco negro perturbando-o com alguma massa, ele vai vibrar até se tornar estacionário novamente. Um buraco negro é como um sino cósmico que vai vibrar por meio de oscilações na sua estrutura. O amortecimento da vibração por meio da emissão de ondas gravitacionais é chamado de ringdown.

Para estudar o sinal do ringdown, os autores simularam a interação de um pacote de ondas com um buraco negro e com ECOs. O ringdown inicial de um ECO é idêntico ao do buraco negro. Esse sinal inicial corresponde à vibração da esfera de fótons externa e é rapidamente amortecido. Contudo, os ECOs têm uma superfície estelar em vez de um buraco negro, uma diferença crucial que implica que também podem ter uma superfície de fótons interna estável. A radiação pode então refletir na barreira gerada pelo potencial da esfera de fótons interna em vez de ser absorvido no horizonte de eventos, como ocorreria para o buraco negro.

Consequentemente, após o sinal inicial de ringdown, existem ecos decorrentes da esfera de fótons interna. Em resumo, o sinal fica preso na cavidade entre as duas esferas de fótons e escapa depois de um certo tempo de atraso. Portanto, a assinatura característica de um objeto ultra-compacto que não possui um horizonte de eventos é uma série de ecos distorcidos subsequentes ao desaparecimento do sinal de ringdown inicial. Esse é exatamente o efeito que vemos na Figura 2.

Figura 2: forma da onda gravitacional para a queda de um partícula teste em um buraco negro (linha pontilhada preta) e em um ECO (linha vermelha). O sinal inicial de ringdown causado pela vibração da esfera de fótons externa está presente para ambos sinais, buraco negro e ECO. O pulso então viaja na direção do objeto e é ou absorvido pelo horizonte de eventos, como no caso do buraco negro, ou repelido pela esfera de fótons inicial, no caso de um ECO, levando aos sinais subsequentes [Figura 3 no artigo]
Os fenômenos discutidos neste artigo são bastante exóticos. Contudo, é importante lembrar que a astronomia de ondas gravitacionais nos dá, mais do que nunca, a oportunidade para descobertas empolgantes e inesperadas que desafiam a física que conhecemos – e precisamos ser proativos em procurar por elas!


Adaptado do original em inglês: Hunting for ECOs: Gravitational Wave “Smoking Guns”, por Lisa Drummond.

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