O que pudemos descobrir com a primeira imagem de um buraco negro

Os cientistas do Event Horizon Telescope conseguiram um feito que ficará na história científica: a primeira imagem de um buraco negro. Mas há mais coisas para a ciência do que fotos bonitas. Juntamente com o lançamento, os cientistas publicaram seis artigos documentando como eles criaram a imagem e o que eles já descobriram sobre o buraco negro no centro da M87, uma galáxia a 55 milhões de anos-luz de distância.

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“Este é apenas o começo”, diz Avery Broderick, físico do Instituto Perimeter e da Universidade de Waterloo, durante uma coletiva de imprensa da National Science Foundation. Pesquisadores preveem fazer “descobertas científicas incríveis” ao “estudar esta imagem de perto e repetir esta história”, afirma o cientista.

Buracos negros são lugares no espaço tão densos, com uma gravidade tão imensa, que a luz não pode escapar além de um certo limite, o chamado “horizonte de eventos”. Usando uma técnica chamada interferometria de longa linha de base, oito telescópios ao redor do mundo conseguiram coletar dados do buraco negro no centro da galáxia M87 em 2017.

Os pesquisadores combinaram dados de ondas de rádio de cada telescópio, criando a imagem. Ela não é uma fotografia e exigiu significativa análise e modelagem de dados para criá-la. Mesmo assim, apesar das várias técnicas independentes usadas para processar os dados, a sombra permaneceu sempre nas imagens finais, .

Mais importante ainda, esta imagem prova mais uma vez que a teoria principal que os físicos usam para explicar a força da gravidade, a teoria da relatividade geral, está correta. Priyamvada Natarajan, uma astrofísica de Yale, diz que a imagem também oferece a mais forte evidência de que o que pensamos sobre as galáxias é verdade: elas contêm buracos negros supermassivos em seus centros, que contêm pontos de não retorno para luz, os chamados horizontes de eventos. Em suma, eles não são apenas grandes bolas densas, mas algo mais assustador.

A primeira imagem de um buraco negro. Imagem: Event Horizon Telescope

Isso, por si só, já é uma descoberta importante. Apesar de seu caos, a relatividade geral diz que o comportamento de um buraco negro pode ser previsto com base em apenas três propriedades: sua massa, rotação e carga elétrica. Buracos negros muito menores parecem seguir essas regras, conforme observações dos detectores de ondas gravitacionais LIGO e Virgo, que medem distúrbios no espaço-tempo causadas por colisões de buracos negros. Será que tem alguma coisa que não estamos vendo, algum efeito que só acontece em buracos negros maiores, e talvez essas diferenças potenciais possam ajudar a descrever alguns mistérios do universo, como a matéria escura? Estes primeiros resultados do Event Horizon Telescope sugerem que não: tanto buracos negros grandes quanto pequenos obedecem às mesmas regras.

“Só de ver que ele [o buraco negro do M87] parece um buraco negro com bilhões de vezes a massa do Sol, e os buracos negros do LIGO parecem buracos negros em algumas dezenas de vezes a massa do Sol, já está restringindo possíveis modificações na gravidade” conta Maya Fishbach, estudante de graduação do departamento de astronomia e astrofísica da Universidade de Chicago. O que ela quer dizer é que aqueles que esperam usar potenciais novos efeitos causados ​​por diferenças no tamanho dos buracos negros para resolver mistérios como matéria escura precisarão procurar respostas em outro lugar.

Criar a imagem também nos ensinou as especificidades do buraco negro em si. A imagem não mostra o horizonte de eventos do buraco negro, mas sim uma sombra projetada pela luz ao seu redor, devido às órbitas instáveis ​​de fótons em torno do objeto central. Ainda assim, os cientistas sabem que a sombra é cerca de cinco vezes o raio de Schwarzschild, ou o tamanho do horizonte de eventos. Isso é suficiente para inferir algumas das propriedades do buraco negro. Os pesquisadores calcularam sua massa, por exemplo, em 6,5 bilhões de vezes a massa do Sol.

A galáxia M87 e seu jato de matéria. Imagem: Hubble

Outro resultado não vem da própria sombra, mas do anel de radiação que a envolve. Você pode perceber que ele é assimétrico — parece brilhar mais forte na parte inferior direita da imagem do que no canto superior esquerdo. Observações passadas da galáxia M87 demonstram que ela está lançando um jato de matéria de alta energia a partir de seu centro, e os físicos supõem que o jato poderia ser alimentado por energia associada à rotação do buraco negro.

A assimetria no brilho fornece evidências de que o buraco negro está realmente girando, o que poderia estar alimentando o jato. O resto da forma seria devido ao efeito das lentes gravitacionais — o buraco negro distorcendo a luz do material por trás dele, de acordo com o publicado no The Astrophysical Journal Letters.

Mas eles ainda não conseguiram observar o jato. É o que explica Kazunori Akiyama, pós-doutorando no MIT Haystack Observatory e líder do grupo de imagens do EHT. E essa é uma área importante para estudar, já que ela poderia explicar como a galáxia M87 evolui de maneira mais geral. No entanto, eles ainda não têm equipamento com sensibilidade suficiente para ver o jato ou a região que o forma.

Como Akiyama explica, ainda há uma questão sem resposta: se os físicos poderão ver mudanças na região em volta do buraco negro ao longo do tempo. O grupo produziu quatro imagens, uma de cada noite que eles observaram com o telescópio, e cada imagem parecia um pouco diferente. “Não temos dados suficientes para localizar a origem da variação de tempo”, diz Akiyama. “Mas acreditamos que, acumulando observações ao longo do próximo ano com telescópios adicionais, podemos identificar o que está fazendo a imagem do buraco negro mudar.”

Mais telescópios se juntarão à iniciativa, e esperamos ver em breve uma imagem de Sagitário A*, o buraco negro no centro de nossa própria galáxia. Captar este buraco negro se mostrou mais difícil do que o imaginado pois ele é muito menor e há mais movimento em torno dele. Hoje temos uma foto incrível. E em breve teremos descobertas científicas ainda mais incríveis para pensarmos e apreciarmos.