Astrofísicos usam ecos de luz para iluminar buracos negros

Uma equipe de astrofísicos, liderada por acadêmicos do Institute for Advanced Study , desenvolveu uma técnica inovadora para procurar ecos de luz de buracos negros. Seu novo método, que tornará mais fácil a medição da massa e do spin de buracos negros , representa um grande passo à frente, já que opera independentemente de muitas outras maneiras pelas quais os cientistas sondaram esses parâmetros no passado.

Devido às lentes gravitacionais, os fótons de um único flash de luz perto de um buraco negro seguem caminhos sinuosos. Alguns seguem a trajetória da linha azul, onde tomam um caminho direto para o observador. Outros orbitam ao redor do buraco negro uma vez, seguindo o caminho da linha tracejada vermelha. Outros ainda orbitam o buraco negro duas vezes seguindo a linha tracejada verde. Como os diferentes caminhos têm atrasos de tempo diferentes, os fótons chegam um após o outro em sequência, e o flash de luz original parecerá ecoar.

A pesquisa, publicada hoje no The Astrophysical Journal Letters , apresenta um método que pode fornecer evidências diretas de fótons circulando buracos negros devido a um efeito conhecido como “lente gravitacional”.

Lentes gravitacionais ocorrem quando a luz passa perto de um buraco negro e seu caminho é curvado pelo forte campo gravitacional do buraco negro. O efeito permite que a luz tome vários caminhos de uma fonte para um observador na Terra: alguns raios de luz podem seguir uma rota direta, enquanto outros podem dar uma volta ao redor do buraco negro uma vez — ou várias vezes — antes de nos alcançar. Isso significa que a luz da mesma fonte pode chegar em momentos diferentes, resultando em um "eco".

“Que a luz circula ao redor de buracos negros, causando ecos, tem sido teorizado há anos, mas tais ecos ainda não foram medidos”, diz o autor principal do estudo, George N. Wong , Frank e Peggy Taplin Member na Escola de Ciências Naturais do Instituto e Associate Research Scholar na Princeton Gravity Initiative na Universidade de Princeton. “Nosso método oferece um modelo para fazer essas medições, o que poderia potencialmente revolucionar nossa compreensão da física dos buracos negros.”

A técnica permite que as assinaturas de eco tênues sejam isoladas da luz direta mais forte capturada por telescópios interferométricos bem conhecidos, como o Event Horizon Telescope . Tanto Wong quanto uma de suas coautoras, Lia Medeiros , Visitante na Escola de Ciências Naturais do Instituto e NASA Einstein Fellow na Universidade de Princeton, trabalharam extensivamente como parte da Event Horizon Telescope Collaboration .

Para testar sua técnica, Wong e Medeiros, trabalhando ao lado de James Stone , professor da Escola de Ciências Naturais, e Alejandro Cárdenas-Avendaño, Feynman Fellow no Laboratório Nacional de Los Alamos e ex-pesquisador associado da Universidade de Princeton, executaram simulações de alta resolução que tiraram dezenas de milhares de "instantâneos" de luz viajando ao redor de um buraco negro supermassivo semelhante ao do centro da galáxia M87 (M87*), que está localizada a cerca de 55 milhões de anos-luz de distância da Terra. 

Usando essas simulações, a equipe demonstrou que seu método poderia inferir diretamente o período de atraso do eco nos dados simulados. Eles acreditam que sua técnica será aplicável a outros buracos negros, além do M87*.

“Este método não só será capaz de confirmar quando a luz orbitando um buraco negro foi medida, mas também fornecerá uma nova ferramenta para medir as propriedades fundamentais do buraco negro”, explica Medeiros.

Entender essas propriedades é importante. “Os buracos negros desempenham um papel significativo na formação da evolução do universo”, diz Wong. “Embora frequentemente nos concentremos em como os buracos negros puxam as coisas, eles também ejetam grandes quantidades de energia em seus arredores.

Eles desempenham um papel importante no desenvolvimento de galáxias, afetando como, quando e onde as estrelas se formam, e ajudando a determinar como a estrutura da própria galáxia evolui. Conhecer a distribuição das massas e rotações dos buracos negros, e como a distribuição muda ao longo do tempo, aumenta muito nossa compreensão do universo.”

Medir a massa ou o spin de um buraco negro é complicado. A natureza do disco de acreção, ou seja, a estrutura rotativa de gás quente e outras matérias espiralando para dentro em direção a um buraco negro, pode “confundir” a medição, observa Wong. Os ecos de luz fornecem uma medição independente da massa e do spin, no entanto, e ter várias medições nos permite produzir uma estimativa para esses parâmetros “nos quais podemos realmente acreditar”, afirma Medeiros.

Detectar ecos de luz também pode permitir que cientistas testem melhor as teorias de gravidade de Albert Einstein . “Usando essa técnica, podemos encontrar coisas que nos façam pensar 'ei, isso é estranho!'” acrescenta Medeiros. “A análise desses dados pode nos ajudar a verificar se buracos negros são de fato consistentes com a relatividade geral.”

Os resultados da equipe sugerem que pode ser possível detectar ecos com um par de telescópios — um na Terra e um no espaço — trabalhando juntos para executar o que pode ser descrito como "interferometria de linha de base muito longa". Tal missão interferométrica precisa ser apenas "modesta", afirma Wong. A técnica deles fornece um método prático e tratável para reunir informações importantes e confiáveis ​​sobre buracos negros.

Fonte: ias.edu