Como seria uma missão a um buraco negro

Daqui a um século, um par de naves espaciais poderá corajosamente ir aonde nenhum objeto feito pelo homem jamais foi.

Esta ilustração artística mostra um laser terrestre atingindo a vela de luz de uma nave espacial, lançando-a ao espaço profundo. Crédito: Kevin M. Gill/WikiMedia Commons 

A Voyager 2 viajou mais longe do que qualquer nave espacial. Está a pouco mais de 20 bilhões de quilômetros de distância, logo além da borda do nosso sistema solar. Mas o astrofísico Cosimo Bambi, da Universidade Fudan, já está pensando em como poderíamos estudar buracos negros daqui a uma geração: enviando pequenas naves espaciais em uma viagem interestelar de décadas até um buraco negro próximo. Em órbita ao redor de um buraco negro, uma nave espacial do tamanho de um clipe de papel poderia testar nossas maiores ideias sobre o funcionamento do universo.

Colocando a relatividade geral à prova final

Se Bambi conseguir o que quer, daqui a 20 ou 30 anos, uma nanonave — uma minúscula nave espacial, pesando apenas alguns gramas — desdobrará uma vela de luz de 10 metros de largura em órbita baixa da Terra. Lasers de alta energia na Terra lançarão luz sobre a vela, e a pressão desses fótons acelerará a nave espacial a cerca de um terço da velocidade da luz em questão de minutos. Pelos próximos 75 anos, a minúscula nave cruzará a vastidão do espaço até encontrar um dos objetos mais misteriosos do nosso universo: um buraco negro.

Físicos acreditam que a região de supergravidade próxima aos buracos negros pode ser o único lugar no universo onde a relatividade geral (a teoria que descreve a estrutura do nosso universo, o espaço-tempo e como a gravidade o afeta) falha. Mas não saberemos disso com certeza até que possamos realmente medir o que acontece perto da borda de um buraco negro. É isso que Bambi espera que sua ambiciosa ideia realize.

Aqui no nosso sistema solar, medimos a massa de planetas e luas observando como a órbita de uma nave espacial muda sob sua atração gravitacional. Bambi diz que podemos medir a gravidade de um buraco negro da mesma forma — só que com naves espaciais muito menores.

Quando a nanonave finalmente chegar ao buraco negro, ela liberará pelo menos uma — ou talvez várias — nanonaves ainda menores. O enxame de naves espaciais do tamanho de insetos ou desaceleraria o suficiente para ser capturado em órbita (de alguma forma), ou então voaria além do buraco negro. De qualquer forma, o princípio é o mesmo: a nave-mãe rastreia os sinais de rádio de sua intrépida progênie. Seus caminhos traçarão como o espaço-tempo se curva e se deforma na área próxima a um buraco negro.

Quando o sinal da nanonave chegar à Terra, 25 anos depois, os cientistas poderão comparar seus dados com as previsões da relatividade geral e de outros modelos. E então, um século após o lançamento, saberemos se nossos modelos de funcionamento do universo se sustentam mesmo sob a tremenda pressão gravitacional de uma singularidade.

Como navegar até um buraco negro

"Esta é apenas uma ideia muito vaga, então há muitas coisas para discutir", disse Bambi à Astronomy sobre seu artigo recente. "É mais para estimular a comunidade a discutir essa possibilidade." Mas já é possível vislumbrar o formato geral da missão.

Imagine uma vela feita de alguns metros quadrados de material especializado, desdobrada à frente de uma minúscula nave espacial que é basicamente um chip de computador com um pequeno transceptor de rádio acoplado. Essa é a nanonave que a Bambi espera que os cientistas um dia enviem para sondar a gravidade de um buraco negro.

No mínimo, as nanonaves interestelares teriam que ser capazes de manter o tempo (para saber quando chegaram ao seu destino), bem como enviar e receber sinais de rádio. Mas incluir muito mais do que isso em uma nave espacial projetada para ser impulsionada a velocidades relativísticas por uma vela de luz seria totalmente impraticável.

“Impulsionar uma câmera convencional com uma vela de luz é como tentar levitar um tijolo em papel de seda”, disse  à Astronomy o físico e engenheiro Kevin Parkin, que dirige o Centro de Design de Missão da NASA Ames e trabalhou anteriormente no projeto 100 Year Starship da NASA . E mesmo essa configuração básica precisaria ser miniaturizada muito além do que a tecnologia atual consegue — e projetada para sobreviver à radiação severa e ao frio intenso do espaço interestelar.

Algumas peças do quebra-cabeça, como sistemas de energia para a nanonave e talvez até uma câmera, podem ser incorporadas às camadas de material que compõem a vela de luz, usando algo chamado matriz óptica em fase. Mas essa tecnologia específica ainda é o que Parkin chama de "física conhecida, mas ainda não engenharia conhecida". Em outras palavras, sabemos como descrevê-la com equações, e deveria ser fisicamente possível, mas ninguém descobriu como construí-la ainda.

E depois temos os lasers. A Bambi estima que, se construíssemos uma matriz de lasers com energia suficiente para lançar uma nanonave ao espaço a um terço da velocidade da luz, o custo seria de cerca de 1 trilhão de euros. Com base na tendência geral de custos dos lasers (o preço por watt cai pela metade a cada quatro anos), o preço poderia cair para cerca de 1 bilhão de euros em 30 anos. Isso está mais de acordo com o orçamento das grandes missões espaciais atuais.

No total, Bambi estima que estamos a cerca de 20 a 30 anos de ter a tecnologia necessária para sua missão de buraco negro — mas ele acredita que é uma questão de tempo. Principalmente se conseguirmos encontrar um buraco negro por perto.

Primeiro, temos que encontrar um

Em seu artigo recente, Bambi sugere que missões como a Breakthrough Starshot, ou outras projetadas para visitar exoplanetas relativamente próximos, provavelmente serão lançadas antes que alguém envie nanonaves para um buraco negro. Em parte, isso se deve à distância (e à velocidade necessária) ser muito maior e à dificuldade de projetar uma nave espacial considerando a radiação e a gravidade ao redor de um buraco negro. E, em parte, porque essas missões têm algo que seu conceito de buraco negro ainda não tem: um alvo.

O buraco negro mais próximo que conhecemos no momento está a 1.560 anos-luz de distância. Provavelmente existe um buraco negro à espreita a 25 anos-luz da Terra, mas o problema é que ainda não o encontramos. Bambi diz que isso pode mudar na próxima década.

Astrofísicos estimam que nossa galáxia contenha um buraco negro e 10 anãs brancas para cada 100 estrelas "normais". Com base no número de estrelas em nossa vizinhança local da Via Láctea e no que os astrofísicos sabem sobre o ciclo de vida de estrelas massivas, é provável que haja um buraco negro desconhecido não muito longe. No entanto, buracos negros são notoriamente difíceis de detectar porque são regiões das quais nenhuma luz escapa.

Trabalhando juntos, alguns dos telescópios mais avançados do mundo podem ser capazes de detectar os tênues traços de radiação liberados pelo material que está sendo puxado para dentro de um buraco negro, mesmo que ele se alimente do material esparso do espaço interestelar. Essa equipe astronômica dos sonhos inclui o Telescópio Espacial James Webb e o futuro Square Kilometer Array (dois conjuntos de antenas parabólicas espalhados por amplas faixas de terra na Austrália e na África do Sul), além do ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) no Chile.

Os astrônomos também podem ser capazes de detectar um buraco negro compartilhando uma órbita com uma estrela da mesma forma que detectam alguns exoplanetas: medindo leves oscilações na órbita da estrela, causadas pela atração gravitacional de sua companheira. Buracos negros vagando sozinhos pela galáxia, sem uma estrela companheira, podem ser revelados pela forma como sua gravidade gigantesca curva a luz das estrelas ao fundo; foi assim que os astrônomos detectaram o buraco negro OGLE-2011-13LG-0462 (um nome quase tão denso quanto o próprio objeto) há mais de uma década.

“Se encontrarmos um buraco negro que não esteja muito longe, acho que a comunidade científica pode se interessar em discutir: ok, podemos realmente enviar uma sonda para esse objeto?”, disse Bambi  ao Astronomy .

Astronomy.com