O anel de fótons: um buraco negro pronto para seu close-up

 A emissão de M87 foi agora resolvida em um anel fino e brilhante (mapa de cores laranja), decorrente da infinita sequência de imagens adicionais da região de emissão, e a imagem primária mais difusa, produzida pelos fótons que vêm diretamente em direção à Terra (em contornos azuis). Quando vistos na resolução de imagem do Event Horizon Telescope, os dois componentes se confundem. No entanto, ao procurar separadamente o anel fino, é possível aguçar a visão do M87, isolando a impressão digital de forte gravidade. Crédito: Broderick et al 

Quando os cientistas revelaram a primeira imagem histórica da humanidade de um buraco negro em 2019 – retratando um núcleo escuro cercado por uma aura ardente de material caindo em direção a ele – eles acreditavam que imagens e insights ainda mais ricos estavam esperando para serem extraídos dos dados.

As simulações previam que, escondido atrás do brilho difuso do brilho laranja, deveria haver um fino e brilhante anel de luz criado por fótons lançados ao redor do buraco negro por sua intensa gravidade.

Uma equipe de pesquisadores liderada pelo astrofísico Avery Broderick usou algoritmos de imagem sofisticados para essencialmente "remasterizar" as imagens originais do buraco negro supermassivo no centro da galáxia M87.

"Desligamos o holofote para ver os vaga-lumes", disse Broderick, membro do corpo docente associado do Perimeter Institute e da Universidade de Waterloo. "Conseguimos fazer algo profundo - resolver uma assinatura fundamental da gravidade em torno de um buraco negro."

Ao essencialmente "descascar" elementos das imagens, diz o coautor Hung-Yi Pu, professor assistente da Universidade Nacional Normal de Taiwan, "o ambiente ao redor do buraco negro pode ser claramente revelado".

Para conseguir isso, a equipe empregou um novo algoritmo de imagem dentro da estrutura de análise do Event Horizon Telescope (EHT) THEMIS para isolar e extrair a característica do anel distinto das observações originais do buraco negro M87 - bem como detectar a pegada reveladora de um poderoso jato explodindo para fora do buraco negro.

As descobertas dos pesquisadores confirmam as previsões teóricas e oferecem novas maneiras de explorar esses objetos misteriosos, que se acredita residirem no coração da maioria das galáxias.

Os buracos negros foram considerados invisíveis por muito tempo até que os cientistas os persuadiram a sair do esconderijo com uma rede global de telescópios, o EHT. Usando oito observatórios em quatro continentes, todos apontados para o mesmo ponto no céu e ligados em nanossegundos; os pesquisadores do EHT observaram dois buracos negros em 2017.

A colaboração EHT revelou pela primeira vez o buraco negro supermassivo em M87 em 2019 e, em 2022, o buraco negro comparativamente pequeno, mas tumultuado no coração de nossa própria Via Láctea, chamado Sagitário A * (ou Sgr A *). Buracos negros supermassivos ocupam o centro da maioria das galáxias, acumulando uma quantidade incrível de massa e energia em um pequeno espaço. O buraco negro M87, por exemplo, é dois quatrilhões (que é um dois seguido de 15 zeros) vezes mais massivo que a Terra. 

Os cientistas de imagem M87 revelados em 2019 foram um marco, mas os pesquisadores sentiram que poderiam aprimorar a imagem e obter novos insights trabalhando de maneira mais inteligente, não mais difícil. Eles aplicaram novas técnicas de software para reconstruir os dados originais de 2017 em busca de fenômenos que teorias e modelos previam que estavam à espreita sob a superfície. A nova imagem resultante mostra o anel de fótons, composto por uma série de sub-anéis cada vez mais nítidos, que a equipe então empilhou para obter a imagem completa.

"A abordagem que adotamos envolveu alavancar nossa compreensão teórica de como esses buracos negros se parecem para construir um modelo personalizado para os dados do EHT", disse Dominic Pesce, membro da equipe do Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian. "Este modelo decompõe a imagem reconstruída nas duas peças que mais nos interessam, para que possamos estudar as duas peças individualmente em vez de misturadas."

O resultado foi possível porque o EHT é um "instrumento computacional em seu coração", disse Broderick, que detém a cadeira Delaney Family John Archibald Wheeler no Perimeter. "É tão dependente de algoritmos quanto de aço. Desenvolvimentos algorítmicos de ponta nos permitiram investigar os principais recursos da imagem enquanto renderizamos o restante na resolução nativa do EHT".

As descobertas dos pesquisadores foram publicadas no The Astrophysical Journal .

Fonte: phys.org