Por Ethan Siegel
Traduzido pela equipe do SPRACE *

Em abril de 2017, todos os 8 conjuntos de telescópios associados ao Event Horizon Telescope apontaram para Messier 87. É assim que um buraco negro supermassivo se parece, onde o horizonte de eventos é claramente visível (EVENT HORIZON TELESCOPE COLLABORATION ET AL.)

As primeiras ideias sobre buracos negros remontam a 1783, quando o cientista de Cambridge John Michell postulou que um objeto suficientemente massivo, em um espaço suficientemente pequeno, faria com que tudo – até mesmo a luz – fosse incapaz de escapar dele. Mais de um século depois, Karl Schwarzschild descobriu uma solução para a Teoria da Relatividade Geral de Einstein que previa o mesmo resultado: um buraco negro.

Tanto Michell quanto Schwarzschild previram uma relação entre a massa do buraco negro, a velocidade da luz e o horizonte de eventos, região de onde a luz não pode escapar. A previsão de Schwarzschild passou 103 anos sem ser testada, mas em 10 de abril de 2019 cientistas revelaram a primeira imagem do horizonte de eventos de um buraco negro. A teoria de Einstein mostrou-se correta novamente, assim como toda a ciência.

O segundo maior buraco negro visto da Terra, localizado no centro da galáxia M87, é mostrado em três diferentes perspectivas: acima, a visão óptica do Hubble; no canto inferior esquerdo, a imagem por rádio do NRAO; e no canto inferior direito, a imagem por raio-X do Chandra. Apesar de sua massa ser 6,6 bilhões de vezes maior que a massa do Sol, ele está 2000 vezes mais longe que Sagitário A*. O Event Horizon Telescope tentou observar o buraco negro através de ondas de rádio e esta é agora a localização do primeiro buraco negro a ter seu horizonte de eventos revelado (ACIMA: OPTICAL, HUBBLE SPACE TELESCOPE/NASA/WIKISKY; CANTO INFERIOR ESQUERDO, RADIO, NRAO/VERY LARGE ARRAY (VLA); CANTO INFERIOR DIREITO, X-RAY, NASA/CHANDRA X-RAY TELESCOPE)

Embora já soubéssemos muito sobre buracos negros antes da primeira imagem direta de um horizonte de eventos, essa nova imagem pode ser classificada como um divisor de águas. Tínhamos várias perguntas antes desta descoberta e muitas delas foram respondidas.

No dia 10 de abril de 2019, a colaboração do Event Horizon Telescope divulgou a primeira imagem do horizonte de eventos de um buraco negro. O buraco negro em questão está localizado na galáxia Messier 87: a maior e mais maciça galáxia do nosso superaglomerado local de galáxias. O diâmetro angular do horizonte de eventos foi medido em 42 microsegundos de arco, implicando que seriam necessários 23 quatrilhões de buracos negros de tamanho equivalente para preencher todo o céu.

O enorme halo em torno da galáxia elíptica gigante Messier 87 aparece nesta imagem. Um excesso de luz na parte superior direita deste halo, e o movimento de nebulosas planetárias na galáxia, são os sinais remanescentes de uma galáxia de tamanho médio que recentemente colidiu com Messier 87 (CHRIS MIHOS, CASE WESTERN RESERVE UNIVERSITY/ESO)

A uma distância de 55 milhões de anos-luz, a massa inferida do buraco negro é 6,5 bilhões de vezes maior que a do nosso Sol. Fisicamente, isso corresponde a um tamanho maior que o da órbita de Plutão ao redor do Sol. Se não houvesse um buraco negro ali, levaria cerca de um dia para a luz conseguir atravessar o diâmetro do horizonte de eventos. Conseguimos obter essa imagem apenas porque:

1. o Event Horizon Telescope tem resolução suficiente para ver este buraco negro,
2. o buraco negro é um forte emissor de ondas de rádio,
3. e há poucas outras emissões de rádio para contaminar o sinal.

Mas, agora que conseguimos, aqui estão 10 lições que aprendemos ou que estamos no caminho para aprender.

1. A imagem realmente mostra um buraco negro, como previsto pela Relatividade Geral.

Se você já leu artigos com títulos como “teórico afirma audaciosamente que buracos negros não existem” ou “nova teoria da gravidade poderia derrubar Einstein”, você provavelmente percebeu que físicos gostam de sonhar com teorias alternativas. Embora a Relatividade Geral tenha passado em todos os testes aos quais a submetemos, ainda há diversas extensões e possíveis teorias substitutas.

Esta observação descarta várias delas. Sabemos que a imagem mostra um buraco negro e não um “buraco de minhoca” (wormhole), pelo menos não da classe mais comum de modelos de buraco de minhoca. Sabemos que há um horizonte de eventos real e não uma singularidade nua (singularidade carente de horizonte de eventos), pelo menos para muitos modelos de singularidades nuas. Sabemos que o horizonte de eventos não é uma superfície dura, pois a matéria que cai nele teria gerado um sinal infravermelho. Tudo isso é, até o limite das observações que fizemos, consistente com a Relatividade Geral.

No entanto, a observação não revela nada sobre matéria escura, teorias de gravidade modificada, gravidade quântica ou o que está por trás do horizonte de eventos. Esses conceitos estão além do escopo das observações do Event Horizon Telescope.

Uma grande quantidade de estrelas foi detectada perto do buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea, enquanto a M87 oferece a possibilidade de observar as características de absorção de estrelas próximas. Isso permite a inferência da massa do buraco negro, gravitacionalmente. Você também pode fazer medições do gás orbitando um buraco negro. As medições de gás são sistematicamente mais baixas, enquanto as medidas gravitacionais são mais altas. Os resultados do Event Horizon Telescope corroboram os dados gravitacionais, e não os dados baseados em gás (S. SAKAI/A. GHEZ/W.M. KECK OBSERVATORY/UCLA GALACTIC CENTER GROUP)

2. A dinâmica gravitacional de estrelas fornece boas estimativas para a massa de buracos negros; observações de gás não.

Antes da primeira imagem do Event Horizon Telescope, tínhamos várias maneiras diferentes de calcular a massa de buracos negros. Podíamos usar medições de estrelas – como as órbitas individuais de estrelas ao redor do buraco negro em nossa própria galáxia ou as linhas de absorção de estrelas em M87 – que nos dão uma massa gravitacional, ou emissões do gás em movimento ao redor do buraco negro central.

Tanto para a nossa galáxia quanto para a M87, essas duas estimativas eram muito diferentes, com as estimativas gravitacionais sendo cerca de 50-90% maiores do que as estimativas de gás. Para o M87, as medições de gás indicavam uma massa de 3,5 bilhões de sóis, enquanto as medidas gravitacionais estavam mais próximas de 6,2-6,6 bilhões. A partir dos resultados do Event Horizon Telescope, o buraco negro tem uma massa de 6,5 bilhões de massas solares, nos dizendo que a dinâmica gravitacional fornece uma boa estimativa sobre a massa de buracos negros, mas as inferências feitas a partir do gás tendem a apresentar valores menores. Esta é uma ótima oportunidade para reexaminar nossas suposições astrofísicas sobre o gás orbital de buracos negros.

Localizada a aproximadamente 55 milhões de anos-luz da Terra, a galáxia M87 contém um enorme jato relativístico, bem como emissões que aparecem tanto em medições feitas a partir de ondas de rádio como em raio X. Esta imagem óptica mostra um jato; agora sabemos, a partir do Event Horizon Telescope, que o eixo de rotação do buraco negro aponta para longe da Terra, inclinado em cerca de 17 graus (ESO)

3. Este deve ser um buraco negro rotativo e o seu eixo de rotação aponta para longe da Terra.

Com a observação do horizonte de eventos e informações sobre as emissões de ondas de rádio que o cercam, sobre o jato de grande escala e sobre as emissões estendidas de ondas de rádio que foram medidas anteriormente por outros observatórios, a colaboração Event Horizon Telescope determinou que este deve ser um buraco negro de Kerr (rotativo) e não um buraco negro de Schwarzschild (não rotativo).

Não há uma característica simples que podemos analisar para determinar isso. Temos que construir modelos complexos do buraco negro em si e da matéria fora dele, e observar sua evolução para ver o que acontece. Quando você olha para os vários sinais que podem surgir, você ganha a capacidade de restringir o que é possivelmente consistente com seus resultados. O buraco negro deve estar girando e o eixo de rotação aponta para longe da Terra, a cerca de 17 graus.

Arte de um anel de acreção e jato em torno de um buraco negro supermassivo. Esta foi a nossa imagem de como um buraco negro deveria funcionar por um longo tempo e o Event Horizon Telescope forneceu novas evidências para validá-la (NASA/JPL-CALTECH)

4. Conseguimos determinar que definitivamente há matéria em torno do buraco negro, consistente com discos de acreção e jatos.

Nós já sabíamos que o M87 tinha um jato a partir de observações ópticas, e que emitia ondas de rádio e raios-X. Você não pode obter esse tipo de radiação apenas de estrelas ou fótons; você precisa de matéria e, em particular, de elétrons. Somente acelerando elétrons em um campo magnético é possível obter a emissão de ondas de rádio característica que vimos: radiação síncrotron.

Para isso, foi necessária uma quantidade incrível de simulações. Ao manipular os vários parâmetros de todos os modelos possíveis, você aprende que essas observações não só exigem fluxos de acreção para explicar os resultados de ondas rádio, como também predizem resultados que não dependem delas, como as emissões de raios-X. Não foi apenas o Event Horizon Telescope que fez observações importantes sobre isso, mas também outros observatórios, como o telescópio de raios-X Chandra. Os fluxos de acreção devem se aquecer, conforme indicado pelo espectro das emissões centrais do M87, de modo consistente com elétrons relativísticos e acelerados em um campo magnético.

A obra desse artista retrata os caminhos dos fótons nas proximidades de um buraco negro. A distorção gravitacional e a captura de luz pelo horizonte de eventos é a causa da sombra capturada pelo Event Horizon Telescope. Os fótons que não são capturados criam uma esfera característica e isso nos ajuda a confirmar a Relatividade Geral (NICOLLE R. FULLER/NSF)

5. O anel visível indica a força da gravidade e da lente gravitacional em torno do buraco negro; novamente, a Relatividade Geral passou no teste.

O anel de ondas de rádio não corresponde ao horizonte de eventos em si, nem a um anel de partículas em órbita. Também não é a órbita circular estável mais interna (ISCO, da sigla em inglês innermost stable circular orbit) do buraco negro. O anel surge devido a uma esfera de fótons que sofreram os efeitos da lente gravitacional, ou seja, que são distorcidos pela gravidade do buraco negro antes de viajar até os nossos olhos.

A luz é distorcida em uma esfera maior do que você esperaria se a gravidade não fosse tão forte. De acordo com o primeiro de seis artigos divulgados pela colaboração do Event Horizon Telescope: “Descobrimos que mais de 50% do fluxo total na escala de arcos de segundo é proveniente de perto do horizonte de eventos e que a emissão é dramaticamente suprimida no interior desta região por um fator maior que 10, o que fornece evidência direta da sombra prevista de um buraco negro”.

A concordância entre as previsões da Relatividade Geral e o que vimos aqui é mais uma notável conquista da maior das teoria de Einstein.

Quatro imagens de quatro dias diferentes mostram claramente que dois pares de imagens variam pouco em uma escala de tempo de um dia, mas muito depois que 3 ou 4 dias se passam. Dada a escala de tempo da M87, isso é extremamente consistente com nossa imagem de como os buracos negros devem evoluir (EVENT HORIZON TELESCOPE COLLABORATION)

6. Buracos negros são entidades dinâmicas e a radiação emitida por eles varia com o tempo.

Com uma massa estimada de 6,5 bilhões de massas solares, a luz demora aproximadamente um dia para atravessar o horizonte de eventos do buraco negro. Isso define, aproximadamente, a escala de tempo sobre a qual esperamos ver mudanças nas características e flutuações na radiação observada pelo Event Horizon Telescope.

Mesmo com observações que duraram apenas alguns dias, confirmamos que a radiação emitida varia com o tempo, como previsto. Os dados de 2017 contêm quatro noites de observações. Mesmo olhando apenas para essas quatro imagens, você pode ver claramente que as duas primeiras têm características semelhantes, e as duas últimas têm características semelhantes, mas que há alterações visíveis – e variáveis – entre os conjuntos de imagens iniciais e finais. Em outras palavras, as características da radiação do buraco negro de M87 estão mudando ao longo do tempo.

O buraco negro supermassivo da nossa galáxia testemunhou algumas explosões incrivelmente brilhantes, mas nenhuma foi tão brilhante ou duradoura quanto a XJ1500 + 0134. Devido a eventos como este e muitos outros, existe uma grande quantidade de dados do Chandra, ao longo de um período de 19 anos, do centro galáctico. O Event Horizon Telescope finalmente nos permitirá analisar suas origens (NASA/CXC/STANFORD/I. ZHURAVLEVA ET AL.)

7. O Event Horizon Telescope, no futuro, revelará a origem física das explosões em buracos negros.

Nós vimos, tanto através de raios X como por ondas de rádio, o buraco negro no centro da Via Láctea emitindo rajadas transitórias de radiação. Embora a primeira imagem divulgada de um buraco negro ultra massivo tenha sido a de M87, o buraco negro da nossa galáxia – Sagitário A* – será igualmente grande, mas mudará em escalas de tempo muito mais rápidas.

Em vez de 6,5 bilhões de massas solares, a massa de Sagitário A* é de apenas 4 milhões de massas solares: 0,06% do tamanho do buraco negro de M87. Isso significa que, em vez de variar em uma escala de tempo de cerca de um dia, vamos observar mudanças na escala de tempo de cerca de um minuto. Suas características evoluirão rapidamente e, quando uma explosão acontecer, deveremos ser capazes de compreender a natureza dessas explosões.

Como essas explosões estão relacionadas com a temperatura e a luminosidade das ondas de rádio que podemos detectar? Existem eventos de reconexão magnética acontecendo semelhantes a ejeções de massa do nosso Sol? Há alguma coisa sendo desmembrada nos fluxos de acreção? Explosões ocorrem diariamente em Sagitário A*, então poderemos rastrear os sinais associados a esses eventos. Se nossas simulações e observações forem tão boas quanto as de M87, e devem ser, poderemos determinar o que impulsiona esses eventos e talvez até descobrir o que cai no buraco negro para criá-los.

A obra desse artista retrata o entorno de um buraco negro, mostrando um disco de acreção de plasma superaquecido e um jato relativístico. Ainda não determinamos se os buracos negros têm seu próprio campo magnético, independente da matéria fora dele (NICOLLE R. FULLER/NSF)

8. Os dados de polarização estão chegando e revelarão se os buracos negros têm um campo magnético intrínseco.

Todos nós estamos apreciando a primeira imagem do horizonte de eventos de um buraco negro, mas é importante estar ciente de que uma imagem completamente nova está a caminho: uma imagem que mostrará a polarização da luz vinda do buraco negro. Devido à natureza eletromagnética da luz, sua interação com um campo magnético imprime uma assinatura específica de polarização, o que nos permitirá reconstruir o campo magnético de um buraco negro e como esse campo varia com o tempo.

Sabemos que a matéria fora do horizonte de eventos, constituída por partículas carregadas em movimento (como elétrons), gera seu próprio campo magnético. Os modelos indicam que as linhas de campo podem permanecer nos jatos de acreção ou passar pelo horizonte de eventos, resultando no buraco negro ancorando-os. Existe uma conexão entre os campos magnéticos, a acreção e crescimento dos buracos negros, e os jatos que eles emitem. Sem os campos, não haveria como a matéria nos discos de acreção perder o momento angular e cair no horizonte de eventos.

Os dados sobre a polarização, através das técnicas de polarimetria, nos dirão isso. Nós já temos os dados; só precisamos realizar a análise completa.

No centro de galáxias existem estrelas, gás, poeira e (como sabemos agora) buracos negros, e tudo isso orbita e interage com a presença central e supermassiva na galáxia. As massas aqui não apenas respondem ao espaço curvo como também curvam o espaço. Isso deve fazer com que os buracos negros centrais experimentem uma instabilidade que futuras atualizações do Event Horizon Telescope talvez nos permitam enxergar (ESO/MPE/MARC SCHARTMANN)

9. Melhorias na instrumentação do Event Horizon Telescope revelarão a presença de buracos negros adicionais perto dos centros galácticos.

Quando um planeta orbita o Sol, não é apenas porque o Sol exerce uma atração gravitacional no planeta. Há também uma reação de intensidade equivalente e direção oposta: o planeta se afasta do sol. Da mesma forma, quando um objeto orbita um buraco negro, ele também exerce uma atração gravitacional sobre o próprio buraco negro. Com uma grande quantidade de massa perto dos centros de galáxias – e, em teoria, com muitos pequenos buracos negros que ainda não vimos – o buraco negro central deve experimentar uma oscilação similar a um movimento browniano em sua posição.

A dificuldade em 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 medir isso envolve olhar para o calibrador, depois para a fonte, depois para o calibrador, depois para a fonte e etc. Isso exige que você desvie o olhar e volte ao alvo muito rapidamente. Infelizmente, a atmosfera muda de forma tão rápida, em escalas de tempo entre 1 e 10 segundos, que não te permitem desviar o olhar. Não há como fazer isso com a tecnologia atual.

Mas esta é uma área na qual a tecnologia está avançando incrivelmente rápido. Os instrumentos utilizados pela colaboração Event Horizon Telescope estão antecipando as atualizações e podem alcançar a velocidade necessária até meados dos anos 2020. Este enigma pode ser resolvido até o final da próxima década devido a melhorias na instrumentação.

Um mapa feito a partir de uma foto com exposição de 7 milhões de segundos do Chandra Deep Field-South. Esta região mostra centenas de buracos negros supermassivos, cada um em uma galáxia muito distante da nossa. O campo GOODS-South, um projeto do Hubble, foi escolhido para ser focado nesta imagem original. Uma atualização do Event Horizon Telescope poderá ser capaz de ver centenas de buracos negros também (NASA/CXC/B. LUO ET AL., 2017, APJS, 228, 2)

10. Por último, o Event Horizon Telescope pode eventualmente descobrir centenas de buracos negros.

Para ver um buraco negro, você precisa que a resolução do seu conjunto de telescópios seja maior do que o tamanho do objeto para o qual você está olhando. Para o atual Event Horizon Telescope, apenas três buracos negros conhecidos no Universo têm um diâmetro grande o suficiente: Sagitário A*, o centro de M87, e o centro da galáxia NGC 1277 (que não emite ondas de rádio).

Mas nós poderíamos aumentar o poder do Event Horizon Telescope lançando telescópios em órbita da Terra. Em teoria, isso já é tecnologicamente viável. Na verdade, a missão russa Spekt-R (ou RadioAstron) está fazendo isso agora mesmo! Uma série de espaçonaves com radiotelescópios em órbita ao redor da Terra permitiria uma resolução muito superior ao que temos hoje. Se aumentássemos nosso patamar atual por um fator de 10 ou de 100, nossa resolução aumentaria proporcionalmente. E, da mesma forma, à medida que aumentamos a frequência de nossas observações, também aumentamos nossa resolução, assim como mais comprimentos de onda de luz de alta frequência podem caber em um telescópio de diâmetro igual.

Com essas melhorias, em vez de apenas 2 ou 3 galáxias, poderíamos revelar buracos negros em centenas delas, ou possivelmente até mais. Como as taxas de transferência de dados continuam a aumentar, fazer o downlinking dessa informação (transmissão do espaço para a Terra) pode se tornar possível. Assim, não precisaríamos retornar os dados para um único local fisicamente. O futuro da área de imageamento de buracos negros é brilhante.

É importante reconhecer que não poderíamos ter feito isso sem uma rede global de cientistas e equipamentos trabalhando juntos. Você pode aprender ainda mais sobre a história detalhada dessa conquista espetacular neste vídeo do Smithsonian no Youtube.

Muitos já estão especulando, embora seja tarde demais para este ano, que esta descoberta poderia ser premiada com um Prêmio Nobel de Física já em 2020. Se isso acontecer, os candidatos a receber a láurea incluem:

• Shep Doeleman, que foi o pioneiro do projeto e o fundou e liderou;
• Heino Falcke, autor do artigo seminal que detalhou como a técnica VLBI, usada pelo Event Horizon Telescope, poderia criar uma imagem de um horizonte de eventos;
• Roy Kerr, cuja solução para um buraco negro rotativo na Relatividade Geral é a base para os detalhes usados em todas as simulações atualmente;
• Jean-Pierre Luminet, que foi o primeiro a simular como seria a imagem de um buraco negro nos anos 70, sugerindo o M87 como um alvo em potencial;
• e Avery Broderick, que fez algumas das contribuições mais importantes para modelar os fluxos de acreção em torno de buracos negros.

Este diagrama mostra a localização de todos os telescópios e matrizes de telescópios usados nas observações de 2017 do Event Horizon Telescope de M87. Apenas o Telescópio do Polo Sul foi incapaz de fazer imagens de M87, pois está localizado na parte da Terra que não pode ver o centro da galáxia (NRAO)

A história do Event Horizon Telescope é um exemplo notável de ciência de alto risco e alta recompensa. Durante a revisão da década feita em 2009, sua proposta ambiciosa declarou que eles teriam uma imagem de um buraco negro até o final da década de 2010. Uma década depois, nós realmente temos isso. Isso é uma conquista incrível.

Essa conquista contou com avanços computacionais, a construção e integração de uma série de instalações de radiotelescópios e a cooperação da comunidade internacional. Relógios atômicos, novos computadores, equipamentos que pudessem ligar diferentes observatórios e muitas outras novas tecnologias precisaram ser inseridas em cada uma das estações. Você precisava obter permissões. E financiamento. E tempo de teste. E, além disso, permissão para utilizar todos os diferentes telescópios simultaneamente.

Mas tudo isso aconteceu e, uau, como valeu a pena. Estamos vivendo agora na era da astronomia de buracos negros, e o horizonte de eventos está lá para observarmos e entendermos. Isto é apenas o começo. Nunca ganhamos tanto com a observação de uma região de onde nada, nem mesmo a luz, consegue escapar.

*Traduzido do artigo original de Ethan Siegel em “Starts With A Bang!”
(https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2019/04/11/10-deep-lessons-from-our-first-image-of-a-black-holes-event-horizon/#11cb99a055e6)