A ideia de buracos negros remonta a 1783, quando o cientista de Cambridge John Michell percebeu que um objeto suficientemente grande em um espaço pequeno o suficiente poderia atrair até mesmo a luz sem deixá-la escapar. Mais de um século depois, Karl Schwarzschild encontrou uma solução exata para a teoria geral da relatividade de Einstein, que previu o mesmo resultado: um buraco negro. Tanto Michell quanto Schwarzschild previram uma conexão clara entre o horizonte de eventos, ou o raio da região da qual a luz não pode escapar, e a massa do buraco negro.
Por 103 anos após a previsão de Schwarzschild, isso não pôde ser verificado. E apenas em 10 de abril de 2019, os cientistas descobriram a primeira fotografia do horizonte de eventos. A teoria de Einstein funcionou novamente, como sempre.
Embora já soubéssemos bastante sobre buracos negros, mesmo antes do primeiro instantâneo do horizonte de eventos, mudou e clarificou muito. Tínhamos muitas perguntas que agora têm respostas.
Em 10 de abril de 2019, a colaboração Event Horizon Telescope apresentou o primeiro instantâneo bem-sucedido do horizonte de eventos do buraco negro. Este buraco negro está localizado em Messier 87: a maior e mais massiva galáxia em nosso superaglomerado local de galáxias. O diâmetro angular do horizonte de eventos foi de 42 segundos de micro-arco. Isso significa que são necessários 23 quatrilhões de buracos negros do mesmo tamanho para cobrir todo o céu.
A 55 milhões de anos-luz de distância, a massa estimada do buraco negro é 6,5 bilhões de vezes a do sol. Fisicamente, isso corresponde a um tamanho maior que o tamanho da órbita de Plutão ao redor do Sol. Se não houvesse um buraco negro, a luz levaria cerca de um dia para passar pelo diâmetro do horizonte de eventos. E só porque:
- o telescópio do horizonte de eventos tem resolução suficiente para ver este buraco negro
- buraco negro emite ondas de rádio fortemente
- muito poucas ondas de rádio em segundo plano para interferir com o sinal
fomos capazes de obter esta primeira foto. Com o que agora aprendemos dez lições profundas.
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Aprendemos como é um buraco negro. Qual é o próximo?
Este é realmente um buraco negro, conforme previsto pela relatividade geral. Se você já viu um artigo intitulado “o teórico afirma corajosamente que os buracos negros não existem” ou “esta nova teoria da gravidade pode virar Einstein”, você acha que os físicos não têm problemas em apresentar teorias alternativas. Embora a relatividade geral tenha passado em todos os testes que a submetemos, os físicos não têm falta de extensões, substituições ou alternativas possíveis.
E observar um buraco negro exclui um grande número deles. Agora sabemos que este é um buraco negro, não um buraco de minhoca. Sabemos que o horizonte de eventos existe e que esta não é uma singularidade nua. Sabemos que o horizonte de eventos não é uma superfície sólida, pois a matéria que cai deve emitir uma assinatura infravermelha. E todas essas observações são consistentes com a relatividade geral.
No entanto, essa observação não diz nada sobre a matéria escura, as teorias mais modificadas da gravidade, gravidade quântica ou o que está por trás do horizonte de eventos. Essas idéias estão além do escopo das observações do EHT.
A dinâmica gravitacional das estrelas fornece boas estimativas para as massas de um buraco negro; observação de gás - não. Antes da primeira imagem de um buraco negro, tínhamos várias maneiras diferentes de medir as massas dos buracos negros.
Poderíamos usar medições de estrelas - como as órbitas individuais de estrelas perto de um buraco negro em nossa própria galáxia ou linhas de absorção de estrelas em M87 - que nos deram massa gravitacional, ou emissões de gás que se move ao redor do buraco negro central.
Tanto para nossa galáxia quanto para o M87, essas duas estimativas foram muito diferentes: as estimativas gravitacionais foram 50-90% maiores do que as gasosas. Para M87, as medições de gás mostraram que o buraco negro tinha 3,5 bilhões de sóis, e as medições gravitacionais estavam mais perto de 6,2 - 6,6 bilhões. Mas os resultados do EHT mostraram que o buraco negro tem 6,5 bilhões de massas solares, o que significa, a dinâmica gravitacional é um excelente indicador das massas dos buracos negros, mas as conclusões do gás estão mudando para valores mais baixos. Esta é uma grande oportunidade para revisitar nossas suposições astrofísicas sobre o gás orbital.
Deve ser um buraco negro giratório e seu eixo de rotação aponta para longe da Terra. Por meio de observações do horizonte de eventos, emissões de rádio em torno dele, um jato em grande escala e emissões de rádio estendidas medidas por outros observatórios, o EHT determinou que é um buraco negro de Kerr (girando), não um buraco negro de Schwarzschild (não girando).
Não existe uma única característica simples de um buraco negro que pudéssemos estudar para determinar essa natureza. Em vez disso, temos que construir modelos do próprio buraco negro e da matéria fora dele, e então desenvolvê-los para entender o que está acontecendo. Ao procurar possíveis sinais que possam surgir, você tem a oportunidade de limitá-los para que sejam consistentes com seus resultados. Este buraco negro deve girar e o eixo de rotação aponta da Terra em cerca de 17 graus.
Finalmente pudemos determinar que há material ao redor do buraco negro, correspondendo a discos e fluxos de acreção. Já sabíamos que o M87 tinha um jato - por observações ópticas - e que ele também emitia nas faixas de rádio e raio-X. Esse tipo de radiação não pode ser obtido apenas de estrelas ou fótons: você precisa de matéria, assim como de elétrons. Somente acelerando os elétrons em um campo magnético podemos obter a emissão de rádio característica que vimos: radiação síncrotron.
E também exigiu uma quantidade incrível de trabalho de modelagem. Ajustando todos os parâmetros possíveis de todos os modelos possíveis, você aprenderá que essas observações não apenas requerem fluxos de acreção para explicar os resultados de rádio, mas também necessariamente predizem resultados de ondas não de rádio - como raios-X. As observações mais importantes foram feitas não apenas pelo EHT, mas também por outros observatórios, como o telescópio de raios-X Chandra. Os fluxos de acreção deveriam estar se aquecendo, como evidenciado pelo espectro das emissões magnéticas do M87, de acordo com os elétrons acelerados relativísticos em um campo magnético.
O anel visível demonstra a força da gravidade e as lentes gravitacionais ao redor do buraco negro central; e novamente a relatividade geral foi testada. Este anel na faixa de rádio não corresponde ao horizonte de eventos em si e não corresponde ao anel de partículas giratórias. E também não é a órbita circular mais estável de um buraco negro. Não, este anel surge de uma esfera de fótons com lentes gravitacionais cujas trajetórias são dobradas pela gravidade do buraco negro em seu caminho até nossos olhos.
Esta luz se curva em uma esfera maior do que seria de esperar se a gravidade não fosse tão forte. Como a Event Horizon Telescope Collaboration escreve:
"Descobrimos que mais de 50% do fluxo total em segundos de arco passa perto do horizonte e que essa radiação é drasticamente suprimida quando atinge esta região, por um fator de 10, que é uma evidência direta da sombra prevista de um buraco negro."
A teoria geral da relatividade de Einstein provou estar correta mais uma vez.
Os buracos negros são fenômenos dinâmicos, sua radiação muda com o tempo. Com uma massa de 6,5 bilhões de sóis, levará cerca de um dia para atravessar o horizonte de eventos do buraco negro. Isso define aproximadamente o período de tempo em que podemos esperar ver mudanças e flutuações nas emissões observadas pelo EHT.
Mesmo observações que duraram vários dias nos permitiram confirmar que a estrutura da radiação emitida muda com o tempo, conforme previsto. Os dados de 2017 contêm quatro noites de observações. Mesmo olhando para essas quatro imagens, você pode ver visualmente que as duas primeiras possuem características semelhantes e as duas últimas também, no entanto, existem diferenças significativas entre a primeira e a última. Em outras palavras, as propriedades da radiação em torno de um buraco negro em M87 mudam com o tempo.
No futuro, o EHT revelará a origem física das explosões de buracos negros. Vimos, tanto em bandas de raio-X quanto de rádio, que um buraco negro no centro de nossa Via Láctea está emitindo rajadas curtas de radiação. Embora a primeira imagem de um buraco negro apresentada mostrasse um objeto supermassivo em M87, o buraco negro em nossa galáxia - Sagitário A * - será tão grande, apenas mudando mais rápido.
Comparada com a massa de M87 - 6,5 bilhões de massas solares - a massa de Sagitário A * será de apenas 4 milhões de massas solares: 0,06% da primeira. Isso significa que as flutuações não serão mais observadas durante o dia, mas dentro de um minuto. As características do buraco negro mudarão rapidamente e, quando ocorrer um surto, podemos revelar sua natureza.
Como as chamas estão relacionadas à temperatura e luminosidade da imagem de rádio que vimos? Existe reconexão magnética, como nas ejeções de massa coronal do nosso Sol? Há alguma coisa estourando nas correntes de acreção? Sagitário A * pisca diariamente, então seremos capazes de associar todos os sinais necessários a esses eventos. Se nossos modelos e observações forem tão bons quanto eram para o M87, podemos ser capazes de determinar o que impulsiona esses eventos e talvez até saber o que está caindo no buraco negro, criando-os.
Surgirão dados de polarização que revelarão se os buracos negros têm seu próprio campo magnético. Embora todos estivéssemos definitivamente felizes em ver o primeiro instantâneo do horizonte de eventos de um buraco negro, é importante entender que uma imagem completamente única logo surgirá: a polarização da luz que emana de um buraco negro. Devido à natureza eletromagnética da luz, sua interação com o campo magnético imprimirá uma assinatura de polarização particular, permitindo-nos reconstruir o campo magnético do buraco negro, bem como a forma como ele muda ao longo do tempo.
Sabemos que a matéria fora do horizonte de eventos, sendo essencialmente partículas carregadas em movimento (como elétrons), gera seu próprio campo magnético. Os modelos indicam que as linhas de campo podem permanecer em fluxos de acreção ou passar pelo horizonte de eventos, formando uma espécie de "âncora" no buraco negro. Há uma conexão entre esses campos magnéticos, acreção e crescimento de buracos negros e jatos. Sem esses campos, a matéria nos fluxos de acreção não poderia perder o momento angular e cair no horizonte de eventos.
Os dados de polarização, graças ao poder da imagem polarimétrica, nos dirão sobre isso. Já temos os dados: falta fazer uma análise completa.
O aprimoramento do Event Horizon Telescope revelará a presença de outros buracos negros próximos aos centros galácticos. Quando um planeta gira em torno do Sol, não é apenas devido ao fato de o Sol ter um efeito gravitacional sobre o planeta. Sempre há uma reação igual e oposta: o planeta afeta o sol. Da mesma forma, quando um objeto orbita um buraco negro, ele também exerce pressão gravitacional sobre o buraco negro. Na presença de todo um conjunto de massas próximo aos centros das galáxias - e, em teoria, muitos buracos negros invisíveis até agora - o buraco negro central deveria literalmente tremer em seu lugar, sendo separado pelo movimento browniano dos corpos circundantes.
O truque para fazer essa medição hoje é que você precisa de um ponto de referência para calibrar sua posição em relação à localização do buraco negro. A técnica para tal medição pressupõe que você olhe para o calibrador, depois para a fonte, novamente para o calibrador, novamente para a fonte e assim por diante. Ao mesmo tempo, você precisa mover seu olhar muito rapidamente. Infelizmente, a atmosfera muda muito rapidamente e muita coisa pode mudar em 1 segundo, então você simplesmente não terá tempo para comparar dois objetos. Em qualquer caso, não com tecnologia moderna.
Mas a tecnologia nesta área está se desenvolvendo incrivelmente rápido. As ferramentas usadas no EHT estão aguardando atualizações e podem alcançar a velocidade necessária em meados da década de 2020. Esse quebra-cabeça poderia ser resolvido até o final da próxima década, graças à instrumentação aprimorada.
Finalmente, o Event Horizon Telescope eventualmente verá centenas de buracos negros. Para desmontar um buraco negro, a resolução do conjunto do telescópio precisa ser melhor (ou seja, alta resolução) do que o tamanho do objeto que você está procurando. Atualmente, o EHT só consegue identificar três buracos negros conhecidos no Universo com um diâmetro suficientemente grande: Sagitário A *, o centro de M87, o centro da galáxia NGC 1277.
Mas podemos aumentar o poder do olho do Event Horizon Telescope para o tamanho da Terra se colocarmos os telescópios em órbita. Em teoria, isso já é tecnicamente realizável. O aumento do número de telescópios aumenta o número e a frequência das observações, bem como a resolução.
Fazendo as melhorias necessárias, em vez de 2-3 galáxias, seremos capazes de encontrar centenas de buracos negros ou até mais. O futuro dos álbuns de fotos do buraco negro parece brilhante.
O projeto Event Horizon Telescope era caro, mas valeu a pena. Hoje vivemos na era da astronomia dos buracos negros e finalmente pudemos observá-los com nossos próprios olhos. Isto é apenas o começo.
Ilya Khel
