A teoria geral da relatividade de Albert Einstein descreve como o tecido do espaço e do tempo, ou espaço-tempo, é curvado em resposta à massa. Nosso sol, por exemplo, distorce o espaço ao nosso redor de tal forma que o planeta Terra gira em torno do sol como uma bola de gude jogada em um funil (a Terra não cai no sol devido ao momento lateral da Terra).

A teoria, que foi revolucionária na época em que foi proposta em 1915, reformulou a gravidade como uma curvatura do espaço-tempo. Por mais fundamental que essa teoria seja para a própria natureza do espaço ao nosso redor, os físicos dizem que pode não ser o fim da história. Em vez disso, eles argumentam que as teorias da gravidade quântica, que tentam unificar a relatividade geral com a física quântica , guardam segredos de como nosso universo funciona nos níveis mais profundos.

Um lugar para procurar assinaturas de gravidade quântica é nas poderosas colisões entre buracos negros , onde a gravidade é mais extrema. Os buracos negros são os objetos mais densos do universo – sua gravidade é tão forte que eles espremem os objetos que caem dentro deles como macarrão tipo espaguete. Quando dois buracos negros colidem e se fundem em um corpo maior, eles agitam o espaço-tempo ao seu redor, enviando ondulações chamadas ondas gravitacionais para fora em todas as direções.

O LIGO, financiado pela National Science Foundation, administrado pela Caltech e pelo MIT, detecta rotineiramente ondas gravitacionais geradas por fusões de buracos negros desde 2015 (seus observatórios parceiros, Virgo e KAGRA, juntaram-se à caça em 2017 e 2020, respectivamente). Até agora, no entanto, a teoria geral da relatividade passou teste após teste sem sinais de colapso.

Agora, dois novos artigos liderados pelo Caltech, em Physical Review X e Physical Review Letters , descrevem novos métodos para submeter a relatividade geral a testes ainda mais rigorosos. Observando mais de perto as estruturas dos buracos negros e as ondulações no espaço-tempo que eles produzem, os cientistas estão buscando sinais de pequenos desvios da relatividade geral que indiquem a presença da gravidade quântica.

"Quando dois buracos negros se fundem para produzir um buraco negro maior, o buraco negro final soa como um sino", explica Yanbei Chen (Ph.D. '03), professor de física na Caltech e co-autor de ambos os estudos. "A qualidade do toque, ou seu timbre, pode ser diferente das previsões da relatividade geral se certas teorias da gravidade quântica estiverem corretas. Nossos métodos são projetados para procurar diferenças na qualidade dessa fase de toque, como os harmônicos e conotações, por exemplo."

O primeiro artigo, liderado pelo estudante de pós-graduação da Caltech Dongjun Li, relata uma nova equação única para descrever como os buracos negros tocariam dentro da estrutura de certas teorias da gravidade quântica, ou no que os cientistas chamam de regime além da relatividade geral.

O trabalho se baseia em uma equação inovadora desenvolvida há 50 anos por Saul Teukolsky (Ph.D. '73), o professor Robinson de astrofísica teórica no Caltech. Teukolsky desenvolveu uma equação complexa para entender melhor como as ondulações da geometria do espaço-tempo se propagam em torno dos buracos negros. Em contraste com os métodos da relatividade numérica, nos quais os supercomputadores são obrigados a resolver simultaneamente muitas equações diferenciais pertencentes à relatividade geral, a equação de Teukolsky é muito mais simples de usar e, como explica Li, fornece uma visão física direta do problema.

“Se alguém quiser resolver todas as equações de Einstein de uma fusão de buraco negro para simulá-la com precisão, deve recorrer a supercomputadores”, diz Li. "Os métodos de relatividade numérica são incrivelmente importantes para simular com precisão fusões de buracos negros e fornecem uma base crucial para a interpretação dos dados do LIGO. Mas é extremamente difícil para os físicos extrair intuições diretamente dos resultados numéricos. A equação de Teukolsky nos dá uma visão intuitiva de o que está acontecendo na fase de ringdown."

Li foi capaz de pegar a equação de Teukolsky e adaptá-la para buracos negros no regime além da relatividade geral pela primeira vez. “Nossa nova equação nos permite modelar e entender ondas gravitacionais que se propagam em torno de buracos negros que são mais exóticas do que Einstein previu”, diz ele.

O segundo artigo, publicado na Physical Review Letters , liderado pelo estudante de pós-graduação da Caltech Sizheng Ma, descreve uma nova maneira de aplicar a equação de Li aos dados reais adquiridos pelo LIGO e seus parceiros em sua próxima execução observacional. Essa abordagem de análise de dados usa uma série de filtros para remover características do anel de um buraco negro previstas pela relatividade geral, de modo que assinaturas potencialmente sutis além da relatividade geral possam ser reveladas.

“Podemos procurar características descritas pela equação de Dongjun nos dados que LIGO, Virgo e KAGRA coletarão”, diz Ma. "Dongjun encontrou uma maneira de traduzir um grande conjunto de equações complexas em apenas uma equação, e isso é extremamente útil. Essa equação é mais eficiente e fácil de usar do que os métodos que usávamos antes."

Os dois estudos se complementam bem, diz Li. "Inicialmente, eu estava preocupado que as assinaturas que minha equação prevê seriam enterradas sob os múltiplos harmônicos e harmônicos; felizmente, os filtros de Sizheng podem remover todos esses recursos conhecidos, o que nos permite focar apenas nas diferenças", diz ele.

Chen acrescentou: “Trabalhando juntos, as descobertas de Li e Ma podem aumentar significativamente a capacidade de nossa comunidade de sondar a gravidade ”.