Agora temos matemática precisa para descrever como os buracos negros refletem nosso universo

Os astrônomos desenvolveram um conjunto de equações que podem descrever com precisão os reflexos do Universo que aparecem na luz distorcida em torno de um buraco negro. 

Impressão artística de fótons girando em torno de um buraco negro. (Nicolle R. Fuller/NSF) 

A proximidade de cada reflexão depende do ângulo de observação em relação ao buraco negro e da taxa de rotação do buraco negro, de acordo com uma solução matemática elaborada pelo estudante de física Albert Sneppen do Instituto Niels Bohr em Dinamarca em julho de 2021.

Isso foi muito legal, sem dúvida, mas não foi apenas muito legal. Também nos deu potencialmente uma nova ferramenta para sondar o ambiente gravitacional em torno destes objetos extremos.

"Há algo de fantasticamente belo em entender agora por que as imagens se repetem de maneira tão elegante," Sneppen disse em uma declaração de 2021. Além disso, oferece novas oportunidades para testar nossa compreensão da gravidade e dos buracos negros."

Se há uma coisa pela qual os buracos negros são famosos é pela sua extrema gravidade. Especificamente, além de um certo raio, a velocidade mais rápida alcançável no Universo, a da luz no vácuo, é insuficiente para atingir a velocidade de escape.

Esse ponto sem retorno é o horizonte de eventos – definido pelo que é chamado de raio de Schwarszchild – e ele' Essa é a razão pela qual dizemos que nem mesmo a luz pode escapar da gravidade de um buraco negro.

No entanto, fora do horizonte de eventos do buraco negro, o ambiente também é seriamente maluco. O campo gravitacional é tão poderoso que a curvatura do espaço-tempo é quase circular.

Quaisquer fótons que entrem neste espaço terão, naturalmente, que seguir esta curvatura. Isto significa que, da nossa perspectiva, o caminho da luz parece distorcido e torto.

Bem no limite interno deste espaço, fora do horizonte de eventos, podemos ver o que é chamado de anel de fótons, onde os fótons viajam em órbita ao redor do buraco negro várias vezes antes de cair em direção ao buraco negro ou escapar para o espaço.

Isso significa que a luz de objetos distantes atrás do buraco negro pode ser ampliada, distorcida e 'refletida' várias vezes. Referimo-nos a isso como lente gravitacional; o efeito também pode ser visto em outros contextos e é uma ferramenta útil para estudar o Universo.

Já sabemos sobre o efeito há algum tempo, e os cientistas descobriram que quanto mais perto você olha do buraco negro, mais reflexos você vê de objetos distantes.

Para passar de uma imagem para a próxima, era necessário olhar cerca de 500 vezes mais perto da borda óptica do buraco negro, ou a função exponencial de dois pi (e2π), mas era difícil descrever matematicamente por que isso acontecia.

A abordagem de Sneppen foi reformular a trajetória da luz e quantificar sua estabilidade linear, usando equações diferenciais de segunda ordem. Ele descobriu que sua solução não apenas descrevia matematicamente por que as imagens se repetem a distâncias de e2π, mas também que poderia funciona para um buraco negro em rotação – e essa distância de repetição depende do giro.

"Acontece que quando ele gira muito rápido, você não precisa mais se aproximar do buraco negro por um fator de 500, mas significativamente menos," Sneppen disse. "Na verdade, cada imagem está agora apenas 50, ou cinco, ou até duas vezes mais próxima da borda do buraco negro."

Na prática, isso será difícil de observar, pelo menos no futuro próximo – basta observar a intensa quantidade de trabalho envolvido na imagem não resolvida do anel de luz em torno do buraco negro supermassivo Pōwehi (M87*).

Teoricamente, entretanto, deveria haver infinitos anéis de luz ao redor de um buraco negro. Como já fotografamos a sombra de um buraco negro supermassivo uma vez, esperamos que seja apenas uma questão de tempo até que possamos obter imagens melhores, e já existem planos para gerar imagens de um anel de fótons.

Um dia, as infinitas imagens próximas de um buraco negro poderão ser uma ferramenta para estudar não apenas a física do espaço-tempo do buraco negro, mas também os objetos por trás deles – repetidos em reflexões infinitas em perpetuidade orbital.

A pesquisa foi publicada em Scientific Reports.

Uma versão anterior do artigo foi publicada pela primeira vez em julho de 2021.

Fonte: sciencealert.com