Novas imagens de buraco negro contêm pistas para desvendar mistérios cósmicos

Um enorme esforço para se observar um buraco negro de várias formas está a ajudar os cientistas a desvendar o que acontece quando a gravidade é levada a extremos.

Publicado 20/04/2021, 16:10
buraco negro

A colaboração Telescópio Horizonte de Eventos produziu a primeira imagem de um buraco negro, publicada em 2019, recorrendo a observatórios de rádio. Agora, os astrónomos estão a observar este objeto em vários comprimentos de onda para desvendar mais segredos. Nesta imagem, a utilização de luz polarizada permite aos cientistas rastrear o campo magnético do buraco negro.

Fotografia de COLABORAÇÃO THE

No coração de uma galáxia gigantesca, a 55 milhões de anos-luz de distância, um buraco negro com o peso de 6.5 mil milhões de sóis está a projetar uma fonte de matéria no cosmos quase à velocidade da luz. Através de um esforço internacional chamado Telescópio Horizonte de Eventos (THE), os cientistas usaram ondas de rádio para captar uma visão deste buraco negro, resultando em 2019 na primeira imagem do ambiente extremo existente perto do seu limite.

Passados dois anos, a equipa internacional que produziu essa imagem surpreendente, juntamente com outros parceiros, publicou os resultados de uma campanha de observação de 2017 que examinou simultaneamente a galáxia hospedeira do buraco negro, Messier 87 (M87), em vários comprimentos de onda.

O relatório, com a autoria de mais de 750 cientistas, foi publicado na The Astrophysical Journal e inclui os dados de 19 observatórios terrestres e espaciais. As informações descrevem uma visão mais completa do buraco negro supermassivo e do seu jato massivo, permitindo aos cientistas observar melhor como é que os campos magnéticos, partículas, gravidade e radiação interagem nas proximidades de um buraco negro supermassivo em várias escalas.

“É um escoadouro de física, certo? Está lá tudo”, diz Daryl Haggard, da Universidade McGill, que ajudou a coordenar as observações de diversos comprimentos de onda. “Estamos realmente a começar a ver órbitas, a observar as imediações do buraco negro e a sondar este ambiente exótico.”

“Creio que este é um dos estudos que faz realmente a ligação entre o THE e o resto da comunidade – é uma amostra do que é suposto estas instalações fazerem”, acrescenta Sera Markoff, membro da equipa, da Universidade de Amsterdão. “Eu sinto que isto é o começo de tudo.”

Agora, a equipa do THE está a fazer uma observação crucial de 12 dias consecutivos – a primeira que pode fazer desde 2018 devido a problemas técnicos e à pandemia de coronavírus. Desta vez, a colaboração adicionou três novos telescópios ao seu conjunto de observatórios, incluindo uma instalação na Gronelândia, e está novamente a explorar o céu em comprimentos de onda que abrangem o espectro eletromagnético – desde que o clima coopere.

“Precisamos de um clima realmente bom em todos os locais”, diz Monika Moscibrodzka, da Universidade Radboud. “E quanto mais locais tivermos, menores serão as probabilidades de termos bom tempo em todos eles.”

Uma rosca cósmica

Os buracos negros estiveram entre os fenómenos astronómicos mais intrigantes durante mais de um século, capturando a nossa imaginação com a sua física extrema e devido ao facto de que o que entra nestes objetos nunca mais sai. Mas só mais recentemente é que estes buracos cósmicos ganharam alguma nitidez, graças à imagem do THE, bem como aos estudos vencedores do Prémio Nobel de objetos que rodopiam em torno do buraco negro supermassivo no centro da nossa Via Láctea, e a uma riqueza de informações recolhidas através da observação de colisões de buracos negros entre si.

“Nos últimos anos, passámos de buracos negros que eram ficção científica para buracos negros que são uma realidade”, diz Marta Volonteri, do Instituto de Astrofísica de Paris.

O Telescópio Horizonte de Eventos engloba vários radiotelescópios espalhados pelo mundo inteiro, desde a Gronelândia ao Polo Sul, que atuam em conjunto como um observatório do tamanho da Terra. Conseguir as imagens do buraco negro supermassivo de M87 requer a combinação de uma enorme quantidade de dados – tantos dados que a equipa nem sequer os consegue transferir digitalmente e, em vez disso, tem de enviar os discos rígidos pelo correio.

Quando a equipa publicou a sua primeira imagem em abril de 2019, os cientistas ficaram surpreendidos porque o objeto era quase igual ao previsto por uma teoria centenária.

A imagem de M87 ofereceu uma oportunidade para se testar a teoria da relatividade geral de Einstein de 1915, que postula que o que percebemos como gravidade surge quando a matéria curva o tecido do espaço-tempo. O ambiente em torno do coração de M87 é intenso – uma confusão quente de gravidade extrema, campos magnéticos e partículas – tornando-o num dos melhores lugares do universo para testar a relatividade geral.

“Estamos sempre a tentar quebrar estas teorias, porque aprendemos muito quando encontramos uma fenda nas suas estruturas”, diz Daryl Haggard. “Adoramos quebrar modelos. Mas ainda não quebrámos com sucesso o modelo da relatividade geral.”

Embora a relatividade geral continue a prevalecer com a M87, a imagem produzida pelo THE rapidamente chegou à consciência do público. O site de banda desenhada XKCD usou a equipa de cientistas várias vezes e sobrepôs o sistema solar no topo da boca do buraco negro para mostrar a sua escala. Outras pessoas compararam o anel brilhante ao Olho de Sauron dos filmes O Senhor dos Anéis. Mas o debate mais enérgico centrou-se na sua aparência semelhante à comida de pequeno-almoço.

“É mais parecido com um bagel ou com um donut?” pergunta Marta Volonteri.

A atualização da imagem original, montada por Monika Moscibrodzka e os seus colegas, acabou com esta discussão no mês passado: o buraco negro parece-se com uma rosca, ou um donut com ranhuras. Na imagem mais recente, as assinaturas do campo magnético do buraco negro estão dispostas por camadas sobre o anel brilhante original, revelando um padrão suave e organizado que envolve o enorme objeto. Monika e a equipa estudaram as partículas carregadas que traçam as linhas do campo magnético para fornecer uma visão mais detalhada das condições físicas extremas que rodeiam o buraco negro.

Colorir um lugar de onde a luz nunca escapa

Agora, de acordo com as informações avançadas pelo novo estudo, as observações em vários comprimentos de onda estão a colorir ainda mais esta imagem.

Os cientistas esperam que todas estas observações ajudem a revelar a física que alimenta o gigantesco jato de partículas em erupção no núcleo de M87. O jato estende-se ao longo de milhares de anos-luz, atravessando a galáxia e, de alguma forma, é projetado por uma poça de plasma borbulhante, campos magnéticos retorcidos e por outras matérias que giram em torno do buraco negro.

“É um escoadouro de física, certo? Está lá tudo.”

por DARYL HAGGARD, UNIVERSIDADE MCGILL

Os cientistas suspeitam que estes jatos podem ser responsáveis por uma população de partículas cósmicas de energia extremamente elevada que chegam até à nossa vizinhança, onde são conhecidas por raios cósmicos. Embora o sol projete uma bolha protetora em torno de grande parte do nosso sistema solar, as partículas de energia conseguem atravessar essa bolha, e algumas das que colidem com a atmosfera da Terra estão a viajar a velocidades tão extremas que é impossível terem origem na Via Láctea.

“Uma das questões principais que estamos a tentar investigar é de onde vêm as partículas de alta energia”, diz Sera Markoff. “Como é que estes jatos são projetados, o que há no seu interior e como é que os raios cósmicos de alta energia – que parecem vir dos jatos de buracos negros – são acelerados? Não conseguimos responder a estas questões só com base nas observações do THE.”

Mas com as novas observações os cientistas conseguem compreender melhor o jato – que emite luz em todos os comprimentos de onda, desde ondas de rádio a raios gama – e ver se está, de facto, a lançar matéria no espaço a uma velocidade que os maiores aceleradores de partículas da Terra nunca conseguiriam igualar.

Uma imagem mais detalhada da anatomia do jato também pode revelar algumas  das propriedades misteriosas do buraco negro de M87, como a velocidade com que está a girar e qual é a sua orientação. Estas medições podem oferecer pistas sobre como é que o buraco negro supermassivo cresceu e se, nos últimos milhares de milhões de anos, ganhou massa a partir de colisões com outros buracos negros supermassivos, ou através da absorção do gás circundante.

“De certa forma, a rotação tem melhor memória sobre a forma como os buracos negros crescem em massa do que a medição real da sua massa”, diz Marta Volonteri.

No horizonte do THE

À medida que a campanha de observação se desenrola, os cientistas estão novamente a apontar os seus telescópios para M87 para observarem as mudanças. O buraco negro estava num estado adormecido durante a campanha de observação de 2017, o que permitiu à equipa ver o seu núcleo. “Agora, estamos muito curiosos para ver como é que a galáxia M87 vai evoluir em escalas de tempo mais longas – estamos curiosos para saber o que vamos conseguir desta vez”, diz Monika Moscibrodzka.

A equipa do THE também está a dar uma vista de olhos ao buraco negro supermassivo mais perto de casa: o Sagitário A*, ou SgrA*, que está perto do coração da Via Láctea. Com uma massa igual a cerca de quatro milhões de sóis, o SgrA* é muito mais leve do que o enorme buraco negro de M87, mas também está muito mais perto da Terra e do THE, a apenas 25.600 anos-luz de distância.

Contudo, o nosso buraco negro supermassivo também é mais temperamental, “arrotando” frequentemente e iluminando-se quando engole material, tendo por vezes várias explosões ao longo de uma só noite. Estas flutuações de atividade são uma das razões pelas quais é mais moroso conseguir uma imagem deste buraco negro.

“De uma perspetiva observacional, apresenta muitos desafios”, diz Daryl Haggard. “Como é que conseguimos captar uma imagem estável de algo que está sempre a mudar?”

É um desafio complicado, mas uma imagem do SgrA* também está no horizonte – e brevemente, com a quantidade de observações, estaremos bastante mais perto de compreender estes enigmas agitados que se escondem no coração das galáxias e que criam alguns dos fenómenos mais extremos no universo observável.
 

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

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