Ciência

A Primeira Imagem de um Buraco Negro

Usando um telescópio do tamanho de um planeta, astrónomos captaram a primeira imagem desta excentricidade espacial. Eis o mais importante. Quinta-feira, 11 Abril

Por Nadia Drake

A mais de 50 milhões de anos-luz, no coração de uma gigantesca galáxia elíptica chamada Messier 87, uma fera gigantesca está a devorar tudo o que se aproxime demasiado. Estrelas, planetas, gás e poeira – nem mesmo a luz, quando cruza um limiar chamado horizonte de eventos, escapa do monstro.

Cientistas revelaram uma imagem desse objeto, um buraco negro supermassivo contendo a massa de 6.5 mil milhões de sóis. Assemelhando-se a um vazio circular rodeado por um anel de luz assimétrico, esta imagem marcante é o primeiro vislumbre que temos da silhueta de um buraco negro, uma visão que se aproxima até à extremidade inescapável da sua boca.

Esta imagem é uma conquista impressionante do projeto Telescópio Horizonte de Eventos, uma colaboração global de mais de 200 cientistas que usam uma série de observatórios espalhados pelo mundo, desde o Havai ao Polo Sul. Combinados, funcionam como um telescópio do tamanho da Terra, e foi capaz de recolher mais de um petabyte de dados enquanto olhava para o buraco negro de M87, em abril de 2017. Depois, foram precisos mais dois anos para os cientistas construírem esta imagem.

Até agora, só conseguíamos observar evidências indiretas da existência de buracos negros, procurando estrelas que pareciam orbitar objetos bizarros, capturando a radiação da matéria superaquecida que os rodeava, ou observando os jatos extremamente energéticos de partículas projetadas dos seus ambientes tumultuosos.

"Estudamos buracos negros há tanto tempo que às vezes é fácil esquecer que nunca vimos um", disse a diretora da Fundação Nacional de Ciência, France Cordova, durante a conferência de imprensa que anunciou o feito da equipa, realizada no National Press Club, em Washington.

“Estamos muito satisfeitos em poder informá-los que vimos o que pensávamos ser invisível”, acrescentou o diretor do projeto Shep Doeleman, do Instituto de Astrofísica Harvard-Smithsonian. "O que estamos a ver são as evidências de um horizonte de eventos... agora temos provas visuais de um buraco negro".

Seis artigos, publicados no Astrophysical Journal Letters, descrevem o enorme esforço observacional, o processo para o alcançar e os detalhes que a imagem revela. Uma das conquistas principais é oferecer um cálculo mais direto sobre a massa do buraco negro, acompanhada de perto com estimativas que derivam do movimento das estrelas em órbita. Os dados também oferecem algumas pistas sobre a forma como alguns buracos negros supermassivos conseguem libertar jatos de partículas gigantescos que viajam quase à velocidade da luz.

"É realmente notável, faz-nos sentir humildes", diz Doeleman. "É como se fosse uma conspiração da natureza para nos deixar ver algo que pensávamos ser invisível".

LARANJA NA LUA

O Telescópio Horizonte de Eventos (THE) começou inicialmente por captar uma imagem de um buraco negro supermassivo no centro da nossa galáxia, a Via Láctea. Chamado de Sagitário A*, esse buraco negro é relativamente insignificante comparado com M87, contendo apenas a massa de quatro milhões de sóis. Como M87 é um dos maiores buracos negros mais próximos, a equipa decidiu apontar o telescópio nessa direção, na esperança de, eventualmente, poder comparar os dois.

Observar o coração da nossa galáxia acabou por ser um pouco mais complicado do que olhar para um longínquo buraco negro no aglomerado de galáxias mais próximo, razão pela qual o retrato de M87 é o primeiro a sair.

A imagem obtida não é uma fotografia única, como muitas das fotografias espetaculares feitas pelo Telescópio Espacial Hubble, mas sim o resultado de um processo chamado interferometria, que combina observações de vários telescópios numa imagem. Quando as antenas observam separadamente o mesmo alvo em simultâneo, os cientistas conseguem comparar as observações e "ver" um objeto, como se estivessem a usar uma antena gigante que cobre toda a distância entre esses telescópios.

Para descortinar estes buracos negros supermassivos – que são minúsculos em comparação com as suas galáxias vizinhas – o consórcio precisava de aproveitar o poder dos radiotelescópios do planeta. Seis observatórios no México, Havai, Arizona, Chile e Espanha apontaram os seus olhos para o céu e observaram M87, que é a maior galáxia no centro do Aglomerado de Virgem. Funcionando como um telescópio do tamanho da Terra, a rede conseguiu descortinar objetos com apenas um décimo de milésimo do tamanho angular que o Hubble consegue ver.

"O que estamos a tentar visualizar é muito, muito pequeno no céu", diz Katie Bouman, da Caltech, membro da equipa de imagem do THE. "Tem aproximadamente o mesmo tamanho de uma laranja na lua, se a tentar fotografar da Terra."

Durante vários dias, a equipa observou M87 em comprimentos de onda de rádio curtos, pois as ondas de rádio conseguem perfurar as camadas escuras de poeira e gás que rodeiam os centros galácticos. Durante essa observação, que também incluiu outros alvos além de M87, a equipa reuniu tantos dados – cinco petabytes – que a única forma razoável de os transferir seria com discos rígidos reais, em vez de digitalmente.

"Cinco petabytes são muitos dados", diz o membro da equipa, Dan Marrone, da Universidade do Arizona. "É o equivalente a 5000 anos de arquivos MP3 ou, de acordo com um estudo que eu li, toda a coleção de selfies da vida de 40.000 pessoas."

Portanto, como a combinação de observações de vários observatórios não é uma tarefa simples, quatro equipas processaram os dados de forma independente, usando algoritmos diferentes e testando-os em diferentes modelos. No fim do processo, as imagens produzidas por cada equipa foram muito semelhantes, sugerindo que as observações são coesas e que a imagem final é a mais exata possível. E parece quase indistinguível das simulações que a equipa tinha produzido nos anos que antecederam a sua publicação.

“É assustadoramente semelhante ao que prevíamos", afirma Sera Markoff, membro da equipa do THE, da Universidade de Amsterdão. "Eu estava sempre a ver o telemóvel só para olhar para ele”."

Em breve, a equipa planeia partilhar uma imagem do buraco negro supermassivo mais próximo e querido da Terra – mas apesar de Sagitário A* estar mais perto, não quer dizer que a imagem seja mais nítida.

"M87 está cerca de duas mil vezes mais longe, mas o seu buraco negro é duas mil vezes maior", diz Lord Martin Rees, da Universidade de Cambridge e astrónomo real do Reino Unido. "Eles são do mesmo tamanho angular no céu."

6,5 MIL MILHÕES DE SÓIS

Com a imagem disponível, os cientistas podem agora começar a investigar alguns dos mistérios mais profundos da física dos buracos negros, incluindo a confirmação dos seus alicerces fundamentais.

“O que gostaríamos realmente de saber com estas observações é – se Einstein estiver correto – se as propriedades destes buracos negros são como esperamos”, Diz Rees.

Até agora, parece que Einstein estava correto – mais ou menos. Embora o famoso físico fosse cético em relação à existência de buracos negros, soluções para as suas equações da teoria da relatividade geral, publicadas em 1915, previam que, se os objetos extra-massivos povoassem o universo, estes deveriam ser esféricos, parecidos com uma sombra escura embutida num anel de luz.

A imagem de M87 corresponde a essa previsão, embora o anel de luz seja um pouco desigual, parecendo um donut maltratado. Ainda assim, é como se esperava. A matéria que gira em torno de um buraco negro forma um disco brilhante e, como parte desse disco está a mover-se na nossa direção, faz com que uma secção do círculo fique um pouco mais brilhante.

"Está tudo a mexer-se, parte disso vem na nossa direção – foi aí que erraram no Interstellar!", diz Markoff, referindo-se à representação artística de um buraco negro supermassivo no filme de 2014. "Há algo de muito chocante quando vemos esta imagem e percebemos que estamos a observar um buraco no espaço-tempo", acrescenta.

Com base no horizonte de eventos de M87, a equipa mediu também a sua massa, que contém cerca de 6.5 mil milhões de sóis, colocando-a dentro das estimativas indiretas derivadas dos movimentos de estrelas em órbita. Contudo, essa estimativa de massa é muito maior do que o número associado ao movimento do gás em órbita, que é a técnica mais fácil, e mais usada, quando se tenta pesar um buraco negro. Mas se esse método não funciona de forma exata, está na hora dos cientistas descobrirem porquê.

"Estamos a dimensionar tipos de galáxias que conseguimos alcançar com a dinâmica de gás, por isso este é um momento realmente crítico para calibrar essa técnica de forma adequada", diz a astrofísica Jenny Greene, da Universidade de Princeton.

Enquanto os novos dados ajudam a descobrir a massa do buraco negro, dizer exatamente até onde é que o horizonte de eventos de M87 se estende é um pouco mais complicado. Tal como as sombras ou silhuetas têm geralmente bordas difusas, o círculo escuro na nova imagem também. A sua largura exata depende de vários parâmetros que ainda não são conhecidos, como a rapidez com que o buraco negro está a rodopiar e sua orientação exata no espaço.

É provável que, se o buraco negro estivesse no nosso sistema solar, o seu horizonte de eventos se estendesse muito para além da órbita de Plutão, talvez mais de 120 vezes a distância da Terra ao sol.

Curiosamente, isso significa que poderíamos atravessar o horizonte de eventos de M87 sem sentir nada – o buraco negro é tão grande que o espaço-tempo tem pouca curvatura nesse ponto. A força imensa da gravidade de M87 seria a mesma em todo o nosso corpo, dos pés à cabeça. Mas à medida que nos aproximássemos, a curvatura intensificar-se-ia, até que finalmente nos rasgaríamos em fios verticais, como esparguete (claro que perceberíamos isso e começaríamos a ficar desconfortáveis muito mais cedo).

JATO DE LUZ

Ninguém sabe realmente o que existe, se é que existe alguma coisa, no núcleo de um buraco negro, que se chama de singularidade. Essa perfuração no próprio tecido do universo é cercada por uma dilatação curva e exótica do espaço-tempo, da qual nada escapa.

No entanto, a nova imagem deve ajudar os astrónomos a descobrir mais sobre o exterior de M87, especialmente as suas fontes de partículas extremamente energéticas que viajam quase à velocidade da luz. Abrangendo cerca de 4900 anos-luz, o jato visível de M87 é um dos espetáculos mais atraentes do universo vizinho.

Um buraco negro a projetar matéria no espaço pode parecer um paradoxo, já que geralmente costumam sugar matéria, mas estes objetos exóticos são completamente desconcertantes.

"Parece que são tão bons a projetar material para longe – jatos, ventos e descargas –como a recolher", diz Daryl Haggard, da Universidade McGill, realçando que os cientistas não têm realmente uma ideia clara sobre a forma como os buracos negros impulsionam estes jatos.

Observar a interação entre a luz, a matéria e o horizonte de eventos de M87 pode ajudar os cientistas a descortinar esse processo enigmático. Vários observatórios já tinham apontado os seus olhos para o buraco negro, na tentativa de perceber o funcionamento do motor que alimenta o jato, estudando-o em comprimentos de onda que abrangem o espectro eletromagnético.

Esses jatos parecem originar do disco de matéria que rodopia em torno do horizonte de eventos, numa região chamada ergosfera, diz Markoff. Aqui, o espaço-tempo nunca fica parado, está em rotação permanente. É um ambiente caracterizado por linhas de campos magnéticos intensos, gases aquecidos a milhões de graus e partículas que viajam a velocidades quase impossíveis. As interações entre esses elementos, em escalas microscópicas, desencadeiam de alguma forma o enorme poder contido nos jatos.

Ao comparar o jato relativamente ativo de M87 com as eventuais imagens do buraco negro da nossa própria galáxia, Markoff diz: “podemos entender melhor o fluxo e refluxo da influência dos buracos negros no longo curso da nossa história do universo”.

 

Este artigo foi publicado originalmente em inglês no site nationalgeographic.com

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