O que a imagem do buraco negro da Via Láctea realmente mostra

O objeto massivo no centro da galáxia é invisível. Mas a imagem deste ano do plasma rodopiante em torno de suas bordas ajudará a revelar mais sobre a história e a evolução da galáxia.

Para criar a primeira imagem do buraco negro da Via Láctea, os cientistas realizaram inúmeras simulações do envelope de plasma que o circunda. Este clipe mostra a versão do modelo de computador animado que parecia espelhar melhor os dados de ondas de rádio coletados pelo Event Horizon Telescope. Abhishek Joshi/UIUC 

Os buracos negros mantêm seus segredos próximos. Eles aprisionam para sempre qualquer coisa que entre. A luz em si não pode escapar da atração faminta de um buraco negro.

Parece, então, que umburaco negro deveria ser invisível – e tirar sua imagem impossível. Tão grande alarde acompanhou o lançamento em 2019 da primeira imagem de um buraco negro. Então, na primavera de 2022, os astrônomos revelaram outra foto de buraco negro - desta vez daquele no centro da nossa própriaVia Láctea.

A imagem mostra uma bolha laranja, em forma de rosquinha, que se parece notavelmente com a imagem anterior do buraco negro no centro da galáxia Messier 87. Mas o buraco negro da Via Láctea, Sagitário A*, é na verdade muito menor do que o primeiro e era mais difícil de ver, uma vez que exigia espreitar através do disco nebuloso da nossa galáxia.

Assim, mesmo que as observações do nosso próprio buraco negro tenham sido conduzidas ao mesmo tempo que as de M87, levou mais três anos para criar a imagem. Isso exigiu uma colaboração internacional de centenas de astrônomos, engenheiros e cientistas da computação, e o desenvolvimento de algoritmos de computador sofisticados para reunir a imagem a partir dos dados brutos.

Essas "fotos", é claro, não mostram diretamente um buraco negro, definido como a região do espaço dentro de uma barreira de ponto de não retorno conhecida como horizonte de eventos. Eles realmente registram porções da panqueca plana de plasma quente girando em torno do buraco negro em altas velocidades no que é conhecido como disco de acreção. O plasma é composto de partículas carregadas de alta energia.

A nova imagem do buraco negro Sagitário A*, confirma e refina previsões anteriores de seu tamanho e orientação. A massa do buraco negro determina seu tamanho, ou o que os cientistas chamam de diâmetro gravitacional. O ponto em que nenhuma luz pode escapar do buraco negro, chamado horizonte de eventos, é determinado por essa massa e pela rotação do buraco negro. O plasma quente acelera em torno do objeto maciço no disco de acreção, emitindo ondas de rádio. Essas ondas de rádio são dobradas e deformadas pela gravidade (através do efeito de "lente gravitacional") para produzir a imagem dos círculos externos laranja. A sombra do buraco negro e o anel de emissão mostrados aqui são projeções com lentes gravitacionais do lado oculto do horizonte de eventos e do disco de acreção do buraco negro, respectivamente.

À medida que o plasma espirala em torno do buraco negro, suas partículas em aceleração emitem ondas de rádio. O anel laranja borrado visto nas imagens é uma reconstrução elaborada dessas ondas de rádio capturadas por oito telescópios espalhados pela Terra, coletivamente conhecidos como o Event Horizon Telescope (EHT).

A imagem mais recente conta a história da jornada épica das ondas de rádio do centro da Via Láctea, fornecendo detalhes sem precedentes sobre Sagitário A *. A imagem também constitui "uma das mais importantes provas visuais da relatividade geral", nossa melhor teoria atual da gravidade, dizSera Markoff, astrofísica da Universidade de Amsterdã e membro da colaboração EHT.

Estudar buracos negros supermassivos como Sagitário A* ajudará os cientistas a aprender mais sobre comoas galáxias evoluemao longo do tempo e como elas se reúnem em vastos aglomerados em todo o universo.

Do núcleo galáctico

Sagitário A * é 1.600 vezes menor do que o buraco negro de Messier 87 que foi fotografado em 2019, e também está cerca de 2.100 vezes mais perto da Terra. Isso significa que os dois buracos negros parecem ter aproximadamente o mesmo tamanho no céu. Geoffrey Bower, cientista do projeto EHT no Instituto de Astronomia e Astrofísica Academia Sinica em Taiwan, diz que a resolução necessária para ver Sagitário A * da Terra é a mesma que seria necessária para tirar uma foto de uma laranja na superfície da Lua.

O centro da nossa galáxia está a 26.000 anos-luz de distância de nós, de modo que as ondas de rádio coletadas para criar essa imagem foram emitidas na época em que um dos primeiros assentamentos humanos permanentes conhecidos foi construído. A viagem das ondas de rádio começou quando elas foram emitidas pela primeira vez a partir de partículas no disco de acreção do buraco negro. Com um comprimento de onda de cerca de 1 mm, a radiação viajou em direção à Terra relativamente sem ser perturbada pelo gás galáctico interveniente e poeira.

Se o comprimento de onda fosse muito mais curto, como a luz visível, as ondas de rádio teriam sido espalhadas pela poeira. Se o comprimento de onda fosse muito mais longo, as ondas teriam sido dobradas por nuvens carregadas de plasma, distorcendo a imagem.

Finalmente, após a jornada de 26.000 anos, as ondas de rádio foram captadas e gravadas nos observatórios de rádio distribuídos por todo o nosso planeta. A grande separação geográfica entre os observatórios foi essencial – permitiu que o consórcio de pesquisadores detectasse diferenças extremamente sutis nas ondas de rádio coletadas em cada local através de um processo chamado interferometria.

Essas pequenas diferenças são usadas para deduzir as minúsculas diferenças na distância que cada onda de rádio viajou de sua fonte. Usando algoritmos de computador, os cientistas conseguiram decodificar as diferenças de comprimento de caminho das ondas de rádio para reconstruir a forma do objeto que as emitiu.

A última imagem de buraco negro foi criada usando uma técnica chamada interferometria, na qual as ondas de rádio emitidas pelo buraco negro e coletadas por oito telescópios localizados ao redor do mundo são comparadas. Se dois locais coletassem ondas que estavam "em fase", o que significa que os picos das ondas se alinhassem um com o outro, as duas ondas se somariam para criar um ponto brilhante na imagem. Se, por outro lado, as ondas estivessem fora de fase, o que significa que o pico de uma onda se alinhava com o cavado da outra, as ondas se anulariam mutuamente, produzindo uma mancha escura na imagem. Trabalhando juntos, os telescópios são capazes de coletar dados mais detalhados do que qualquer um poderia sozinho.

Os pesquisadores colocaram tudo isso em uma imagem de cor falsa, onde o laranja representa ondas de rádio de alta intensidade e o preto representa a baixa intensidade. "Mas cada telescópio capta apenas uma pequena fração do sinal de rádio", explicaFulvio Melia, astrofísico da Universidade do Arizona que escreveu sobre oburaco negro supermassivo da nossa galáxia. Porque estamos perdendo muito do sinal, "em vez de ver uma foto cristalina, você vê algo que é um pouco nebuloso ... um pouco borrado."

A imagem ajuda a revelar mais sobre o horizonte de eventos do buraco negro - o ponto mais próximo ao qual qualquer coisa pode se aproximar do buraco negro sem ser sugada. Além do horizonte de eventos, nem mesmo a luz pode escapar.

A partir da imagem, os cientistas foram capazes de estimar melhor o tamanho do horizonte de eventos e deduzir que o disco de acreção está inclinado a mais de 40 graus do disco daVia Láctea, de modo que estamos vendo a face redonda do disco de acreção plana, em vez da fina lasca de sua borda.

Mas mesmo que o disco de acreção do buraco negro estivesse orientado de lado em relação à Terra, a gravidade em torno do buraco negro distorce o espaço ao seu redor tanto que a luz emitida pela parte de trás do buraco negro seria dobrada para vir em nossa direção, fazendo uma imagem em forma de anel, independentemente de sua orientação. Então, como os cientistas sabem sua orientação? Porque o anel é principalmente redondo; se estivéssemos vendo o disco de acreção de lado, o anel seria mais esmagado e oblongo.

Markoff acha que essa nova capacidade de olhar para o coração da nossa galáxia ajudará a preencher lacunas em nossa compreensão da evolução das galáxias e da estrutura em larga escala do universo. Um objeto denso e massivo, como um buraco negro no centro de uma galáxia, influencia os movimentos das estrelas e da poeira perto dele, e isso influencia a forma como a galáxia muda ao longo do tempo. As propriedades do buraco negro, como em que direção ele gira, dependem da história de suas colisões - com estrelas ou outros buracos negros, talvez. "Muita gente... olhe para o céu e pense em tudo isso como estático, certo? Mas não é. É um grande ecossistema de coisas que está evoluindo", diz Markoff.

Até agora, o fato de que a imagem corresponde às expectativas dos cientistas com tanta precisão a torna uma confirmação importante das teorias atuais da física. "Esta tem sido uma previsão que temos há duas décadas", diz Bower, "de que veríamos um anel dessa escala. Mas, você sabe, ver é crer."

Fonte: astronomy.com