O movimento das estrelas perto do buraco negro central da Via Láctea só é previsível até algumas centenas de anos

As órbitas de 27 estrelas que orbitam muito perto do buraco negro no centro da nossa Via Láctea são tão caóticas que os investigadores não conseguem prever com confiança onde estarão daqui a 462 anos.

É o que revelam as simulações efetuadas por três astrónomos dos Países Baixos e do Reino Unido. Os investigadores publicaram as suas conclusões em dois artigos científicos. 

Simulação dos movimentos das estrelas em torno do buraco negro no centro da Via Láctea. À esquerda estão representadas as órbitas das estrelas. Estas órbitas foram calculadas durante 10.000 anos. Parece que as estrelas não divergem das suas órbitas. O painel da direita é uma ampliação perto do centro do enxame. Revela que as estrelas têm variações consideráveis ao longo das suas órbitas. A órbita amarela, por exemplo, flutua nesses 10.000 anos num intervalo de quarenta vezes a distância da Terra ao Sol. Crédito: Simon Portegies Zwart et al.

Simular 27 estrelas e as suas interações entre si e com o buraco negro é mais fácil de dizer do que de fazer. Durante séculos, por exemplo, foi impossível prever os movimentos de mais de duas estrelas, planetas, rochas ou outros objetos em interação. Só em 2018 é que investigadores de Leiden desenvolveram um programa de computador em que os erros de arredondamento já não desempenhavam qualquer papel nos cálculos.

Com isto, conseguiram calcular os movimentos de três estrelas imaginárias. Agora os investigadores expandiram o seu programa para lidar com 27 estrelas que, segundo os padrões astronómicos, se movem perto do buraco negro no centro da Via Láctea.

As simulações das 27 estrelas massivas e do buraco negro resultaram numa surpresa. Embora as estrelas permaneçam nas suas órbitas em torno do buraco negro, as interações entre as estrelas mostram que as órbitas são caóticas. Isto significa que pequenas perturbações provocadas pelas interações subjacentes alteram as órbitas das estrelas. Estas alterações crescem exponencialmente e, a longo prazo, tornam as órbitas das estrelas imprevisíveis.

Buraco negro proporciona um choque

"Só passados 462 anos, já não conseguimos prever as órbitas com confiança. É um período surpreendentemente curto", afirma o astrónomo Simon Portegies Zwart (Universidade de Leiden, Países Baixos). Ele compara-o com o nosso Sistema Solar, que já não é previsível com confiança ao fim de 12 milhões de anos. "Por isso, a vizinhança do buraco negro é 30 mil vezes mais caótica do que a nossa, e não estávamos à espera disso.

Claro, o Sistema Solar é cerca de 20.000 vezes mais pequeno, contém milhões de vezes menos massa e tem apenas oito objetos relativamente leves em vez de 27 massivos, mas, se me tivessem perguntado antes, isso não deveria ter tido tanta importância".

De acordo com os investigadores, o caos surge de cada vez mais ou menos da mesma forma. Há sempre duas ou três estrelas que se aproximam muito umas das outras. Isto provoca um empurrar e puxar mútuo entre as estrelas. O que, por sua vez, leva a órbitas estelares ligeiramente diferentes. O buraco negro em torno do qual essas estrelas orbitam é então ligeiramente afastado, o que, por sua vez, é sentido por todas as estrelas. Desta forma, uma pequena interação entre duas estrelas afeta todas as 27 estrelas do grupo central.

Ampliando a órbita

"Executamos a nossa simulação durante 10.000 anos de cada vez. De uma perspetiva aérea, as órbitas estelares parecem permanecer inalteradas com o tempo", diz Tjarda Boekholt (ex-aluno de Portegies Zwart em 2015 e atualmente a trabalhar na Universidade de Oxford, Reino Unido).

"Só quando se começa a fazer zoom num segmento de uma órbita é que as variações caóticas se tornam visíveis. Estas variações podem atingir grandes valores, até quarenta unidades astronómicas, que é quarenta vezes a distância da Terra ao Sol".

Os investigadores gostam de comparar o caos no buraco negro com andar de bicicleta por uma cidade. Sabe-se aproximadamente quanto tempo demora, mas é impossível prever exatamente quanto tempo demora. Se uma ponte estiver aberta, ou se alguém saltar para a frente da nossa bicicleta, podemos chegar minutos mais tarde. "E é mais ou menos assim que funciona com as estrelas à volta do buraco negro", diz Portegies Zwart.

"Sabemos que ocorrem regularmente acontecimentos inesperados, que provocam uma mudança exponencial, que agora podemos medir. Mas a implicação é que o centro da Via Láctea, com o buraco negro e as 27 estrelas que o orbitam, já não é previsível com confiança ao fim de 462 anos. Já não podemos prever de forma fiável as posições e velocidades dessas estrelas".

Para Portegies Zwart e colegas, não são tanto os 462 anos que interessam. "462 anos é obviamente muito curto, mas o que queremos dizer é que, como astrónomos, temos de olhar de forma diferente do que fazíamos antes para o que acontece na vizinhança de um buraco negro", disse Portegies Zwart.

"E temos de encontrar novas palavras para o efeito. Por exemplo, comecei a construir um glossário de definições com Tjarda Boekholt, simplesmente porque não existiam termos que captassem com precisão este novo tipo de comportamento caótico que estávamos a observar."

Caos pontuado

Os investigadores denominaram o fenómeno de "caos pontuado". O termo é inspirado na biologia evolutiva, onde ocorre o oposto: o chamado equilíbrio pontuado. Trata-se da evolução no interior das espécies, em que existe frequentemente um equilíbrio a longo prazo que é interrompido apenas muito esporadicamente por um acontecimento chocante.

"Antes desta investigação, não se sabia se o caos nas simulações tinha uma origem física ou se provinha de erros de arredondamento e outros problemas com os cálculos", diz o coautor Douglas Heggie, matemático e astrónomo reformado, mas ainda ativo, da Universidade de Edimburgo (Reino Unido) e pioneiro no domínio do problema dos n-corpos.

"Pusemos as simulações e os cálculos subjacentes à prova de muitas maneiras. Os nossos resultados mantêm-se sólidos. Agora podemos fazer afirmações reais sobre o comportamento caótico de sistemas com múltiplas estrelas. Isso é ótimo".

Fonte: Astronomie.nl