Humanidade poderá ver um buraco negro pela primeira vez, dizem os astrônomos

O centro da galáxia não aparece muito, mesmo se você tiver sorte o suficiente de viver em um lugar onde o céu noturno é suficientemente escuro para ver as faixas da Via Láctea. À luz visível, as estrelas entre aqui e lá se confundem em uma única fonte brilhante, como um feixe luminoso escondendo o farol atrás dele.

 

Mas entre vários tipos de radiação, como ondas de rádio, infravermelho e raios X, os astrônomos detectaram a presença de um objeto com a massa de quatro milhões de sóis embalados em uma região menor do que o nosso Sistema Solar: um buraco negro supermassivo. Os astrônomos o chamam de Sagitário A *, ou Sgr A *, porque está localizado na constelação de Sagitário. Descobrir o buraco negro da Via Láctea ajudou a concretizar a ideia de que o centro de quase todas as grandes galáxias abriga um buraco negro supermassivo. Mas, apesar da crescente evidência, eles ainda não foram vistos diretamente.

 

Isso pode mudar muito em breve. Os astrônomos estão prestes a iniciar um projeto de observação que pode resultar no que se pensava ser impossível: uma imagem do buraco negro supermassivo do centro da galáxia.

 

Muitos cientistas, incluindo Albert Einstein, cuja Teoria da Relatividade Geral de 1915 previa buracos negros, duvidaram que a natureza pudesse realmente fazer uma coisa tão monstruosa: um objeto tão gravitacionalmente poderoso que atrapalharia qualquer coisa que passasse muito perto, incluindo a luz.

 

Então, na década de 1950, os astrônomos descobriram quasares, que são objetos tão brilhantes que foram confundidos com estrelas próximas até que seus espectros provassem que estavam a bilhões de anos-luz de distância e recuavam rapidamente. A imensa energia liberada pelos quasares é muito grande para ser explicada pela fusão nuclear, o processo que cria a luz de uma estrela.

“A descoberta de quasares e das rádio-galáxias disse aos astrônomos que nem toda a energia da luz que vimos era dos chamados processos térmicos“, disse K.Y. “Fred” Lo, o diretor emérito do Observatório Nacional de Rádio Astronomia, que morreu em 16 de dezembro de 2016.

 

Alguns astrônomos começaram a especular que talvez essa superabundância de energia evidenciasse a existência de buracos negros. Talvez como a matéria estava caindo neles, a atração imensa da gravidade estava excitando o material e fazendo-o lançar “uma quantidade fenomenal de energia”, segundo Lo.

 

Desde a década de 1930, os astrônomos observaram fortes ondas de rádio provenientes do centro da Via Láctea. Depois de teóricos sugerirem em 1971 que a fonte poderia ser um buraco negro, vários pesquisadores decidiram caçar buracos negros na região. Na época, Lo era um estudante de pós-graduação no Instituto de Tecnologia de Massachusetts estudando regiões de formação de estrelas, como nuvens de plasma de hidrogênio quente. Ele olhou para a região usando um interferômetro de rádio, uma técnica que usa múltiplos telescópios para criar o poder de observação de um único telescópio com um diâmetro igual à distância entre os telescópios em rede.

 

Lo usou um observatório de rádio em Green Bank, West Virginia, e outro ao sul de Washington, para obter a resolução de um telescópio de 125 milhas (cerca de 201 km) de diâmetro. Com essa poderosa capacidade de observação, ele avistou apenas a sugestão de uma fonte compacta de ondas de rádio, o que os astrônomos acreditavam ser um buraco negro.

 

“Como estudante, eu fui muito cauteloso e nunca publiquei o resultado“, disse Lo Lo estava perto o suficiente para anunciar que a Via Láctea continha um buraco negro para estimular a ação de outros dois astrônomos, Bruce Balick e Robert Brown. Eles usaram dois radiotelescópios na Virgínia Ocidental para “dar zoom” em Sagitário A.

 

Durante dois dias em fevereiro de 1974, Balick e Brown observaram o centro galáctico em uma resolução suficientemente alta para ver uma fonte discreta e intensa de ondas de rádio. Brown chamou a descoberta de Sagitário A *, em Física Atômica, o asterisco é usado para se referir a um átomo em seu “estado excitado”, e nada era tão excitante para Balick e Brown quanto descobrir esse buraco negro.

 

Dois anos depois, Lo, usando radiotelescópios na Califórnia, confirmou a descoberta de Balick e Brown, e continuou estudando Sgr A * nos próximos 30 anos. Os astrônomos rapidamente perceberam que precisariam continuar desenvolvendo interferometria de linha de base para obter a resolução necessária para fazer observações de Sgr A *. Um resultado das observações cada vez mais detalhadas dos astrônomos tornou-se um cartaz famoso mostrando o centro da Via Láctea em energia de rádio, que ainda vive em escritórios de astrônomos e salas de aula.

 

Embora a primeira detecção de Sgr A * tenha sido uma grande descoberta, as observações não revelaram sua massa ou tamanho, bem como as quantidades necessárias para determinar se um objeto é um buraco negro. No início da década de 1990, os astrônomos alemães Reinhardt Genzel e Andreas Eckart usaram avanços da tecnologia do infravermelho no Telescópio de Nova Tecnologia no Chile para olhar para o centro galáctico. O buraco negro é o maior emissor de ondas de rádio de fonte única na galáxia, mas no infravermelho é quase invisível.

 

Já as estrelas, no entanto, aparecem claramente no infravermelho. Genzel e Eckart encontraram 39 estrelas muito próximas de Sgr A *, incluindo várias que pareciam estar orbitando o buraco negro em si. Na mesma época, Andrea Ghez, agora astrônoma da Universidade da Califórnia em Los Angeles, era uma estudante de doutorado olhando para Sgr A * com o telescópio Keck, no Havaí.

 

Ambos os grupos necessitaram superar um problema principal: as observações infravermelhas são sensíveis às flutuações atmosféricas, que fazem com que as estrelas fiquem borradas. Ghez usou um método chamado “imagem manchada”, que ela acredita ser o “avanço” no estudo de Sgr A *. “Você toma exposições muito curtas, que congelam os efeitos de interferência da atmosfera da Terra”, disse ela.

 

Esses efeitos podem ser removidos usando o processamento do computador. A técnica revelou que algumas estrelas estavam orbitando Sgr A * rápido o suficiente para que sucessivas observações mostrassem a mudança de posição. Agora os astrônomos podiam calcular a velocidade com que as estrelas se moviam. Usando as leis do movimento orbital, os astrônomos calcularam então a massa de Sgr A *, que resultou ser quatro milhões de vezes a massa do Sol, e colocaram um limite no seu tamanho.

 

Hoje, tanto o grupo alemão quanto o americano têm melhorado sua visão do Sgr A * com ótica adaptativa, que compensa distorções atmosféricas usando um supercomputador para mudar a forma de um espelho deformável em tempo real. Desde então, os astrônomos conseguiram encontrar várias estrelas ainda mais próximas de Sgr A *. “Isso nos deu a prova definitiva da existência deste buraco negro supermassivo, e nos deu uma incrível habilidade para estudar o ambiente ao redor do buraco negro”, disse Ghez.

 

“A evidência é realmente muito atraente. Por processo de eliminação, não pode ser qualquer outra coisa. Estritamente falando, ninguém provou que existe um buraco negro”, disse Lo. Agora os astrônomos estão procurando a peça final do quebra-cabeça: uma observação do horizonte de eventos. Esta é a barreira invisível onde a velocidade de escape do buraco negro, que é a velocidade mínima na qual um objeto deve viajar para escapar à atração gravitacional, é maior que a velocidade da luz.

 

Não é possível ver a fronteira em si, mas há maneiras de procurar marcadores de eventos no horizonte. Comparados com estrelas ou planetas, os buracos negros são notavelmente simples: são descritos completamente por dois números. O primeiro é a massa – e qualquer que seja o alimento original, como tipos de átomos e partículas, matéria escura, planetas ou estrelas ou botas velhas, é irrelevante.

 

A segunda propriedade é a rotação. Como um buraco negro gira, ele arrasta matéria e luz em um redemoinho. Quanto mais rápido ele gira, mais violento é o redemoinho. As equações da relatividade geral dizem que uma estrela orbitando Sgr A * suficientemente perto não traçará uma elipse plana, mas ficará inclinada em três dimensões, criando mais um padrão de crisântemo. A extravagância das “pétalas” depende da taxa de rotação do buraco negro. Ghez espera coletar observações suficientes para ter provas desse padrão nos próximos anos.

 

Uma verdadeira descoberta inesperada seria a de um pulsar em órbita em torno de Sgr A *. Duncan Lorimer, um astrônomo da Universidade da Virgínia Ocidental, estuda os pulsares há 25 anos, mas começou a olhar de perto para o centro galáctico há cerca de cinco anos.

 

Um pulsar é uma estrela muito densa que lança um jato de radiação. Enquanto gira, esse feixe cruza nossa vista em intervalos regulares. Um pulsar poderia indicar não apenas como o espaço ao redor do buraco negro é deformado, mas também como o tempo é deformado. “As equações de Einstein fazem previsões muito concretas sobre como esse relógio [perto de um buraco negro] será alterado pela estrutura do espaço-tempo em torno dele”, disse Lorimer.

 

“Até mesmo encontrar um pulsar normal em torno do buraco negro será fenomenalmente interessante”, completou. As estrelas que os astrônomos encontraram perto de Sgr A * resolveram o mistério da massa e o raio aproximado do buraco negro, mas também criaram outros mistérios.

 

Os astrônomos ficaram surpresos, por exemplo, pela observação de que as estrelas que observaram são bastante jovens. “Ninguém poderia prever estrelas jovens perto de buracos negros, porque eles são muitos fortes“, disse Ghez. A atração gravitacional deve destruir nuvens de gás antes que elas se tornem densas o suficiente para desmoronar em novas estrelas. Por muito tempo, os astrônomos acreditavam que só as estrelas antigas estariam perto de um buraco negro, porque teriam estado tempo suficiente para migrar para a coisa mais maciça nas proximidades, disse Ghez.

 

Isso foi tão acreditado que, quando a Matemática mostrou o quão denso era o objeto no centro galáctico, muitos astrônomos argumentaram que a presença de tantas estrelas jovens próximas era a evidência de que Sgr A * não era um buraco negro. Os cientistas chamam isso de “paradoxo da juventude“, e é uma das maiores questões sobre como os buracos negros supermassivos afetam a formação de estrelas próximas.

 

Esta é uma das razões pelas quais os astrônomos ficaram muito animados em 2011 quando descobriram que uma enorme nuvem de gás, que eles chamavam de G2, estava em curso para fazer uma aproximação de Sgr A *. A maioria dos astrônomos assumiu que as forças do buraco negro separariam G2, liberando enormes quantidades de energia em flashes brilhantes, como os observados quando o gás interage com buracos negros em outras galáxias.

 

Mas em 2014, com todos os olhos ansiosamente voltados para Sgr A *, a nuvem G2 passou despercebida, sobrevivendo quase intacta. Quando Ghez e seus colegas examinaram os dados, concluíram que a G2 não poderia ter sido uma nuvem de gás normal, mas sim duas estrelas escondidas dentro de um único enorme envelope de gás.

 

Ghez acredita que a gravidade de Sgr A * puxou as duas estrelas em uma órbita uma em torno da outra e puxou suas camadas exteriores em uma massa 100 vezes maior do que qualquer estrela teria normalmente. Isso pode explicar por que há mais estrelas jovens em torno de Sgr A * do que o esperado. Em vez de rasgar as estrelas, a gravidade do buraco negro está transformando-as em algo novo e estranho.

 

No verão passado, usando uma nova série de instrumentos de interferometria infravermelha chamada Gravity, os astrônomos que trabalham com o Observatório Europeu do Sul viram uma estrela que completa uma órbita em torno de SgrA * a cada 16 anos. Ao combinar dados dos quatro telescópios que compõem o Very Large Telescope no Chile, a Gravity consegue medir com precisão órbitas estelares próximas ao horizonte de eventos.

 

Os observadores do ESO planejam comparar os movimentos orbitais das estrelas com as previsões feitas pela teoria de Einstein. A gravidade também deve ser capaz de rastrear a exaltação quando Sgr A * consome gás, o que faz ocasionalmente, apesar de sua interação não dramática com G2. Observar essas explosões é outra maneira de calcular a rotação de um buraco negro.

 

Mas o projeto mais ambicioso focado no centro galáctico é o Event Horizon Telescope, um enorme interferômetro feito de uma dúzia de observatórios que se estendem do Havaí até o Polo Sul. O objetivo, quando estiver online esta primavera, é capturar uma imagem de Sgr A * com resolução suficiente para ver o próprio horizonte de eventos.

 

“Até os últimos anos, nós realmente não pensávamos que seríamos capazes de ver o horizonte de eventos tirando uma foto diretamente dele. Há características particulares do nosso buraco negro que torna isso possível”, disse o astrofísico Feryal Özel, da Universidade do Arizona.

 

Em 2000, Özel e seus colegas mostraram que a matéria caindo em Sgr A * não obscurece o horizonte. As primeiras observações com toda a matriz terão lugar no início de abril, e envolvem cerca de uma semana de monitoramento contínuo de Sgr A *. Se tudo correr como planejado, a humanidade terá a primeira visão de um dos objetos mais bizarros do Universo.

 

“Devemos ver uma silhueta, uma sombra. Sgr A * aparecerá como uma ausência de luz que é aproximadamente circular impressa na radiação circundante”, disse Özel. “Provar que os horizontes de eventos existem será extremamente emocionante. Não é apenas a existência do buraco negro”, disse Özel.

 

Essa informação fornecerá uma maneira inédita de estudar a deformação do espaço-tempo que a teoria da relatividade geral descreve. O horizonte de eventos precisará ter um tamanho muito específico, ou todas as suposições sobre a teoria de Einstein e Sgr A * entrarão em questão.

 

“O que estamos vendo não é nada do que esperávamos“, disse Andrea Ghez. Um retrato de buraco negro pode ser a maior surpresa de todas. Seja qual for o resultado, a curiosidade continuará nos levando para o poderoso e misterioso objeto no centro da galáxia.

[ Smithsonian ] [ Fots: Reprodução / Smithsonian ]