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Como a imagem do Buraco Negro transforma a Ciência?

do Ciência na Rua

Como a imagem do Buraco Negro transforma a Ciência?

por Tiago Marconi

“Em abril de 2017, todos os ‘pratos’ do EHT giraram, viraram-se e encararam uma galáxia distante 55 milhões de anos-luz, chamada Messier 87 ou M87. Há um buraco negro supermassivo no centro dela, e hoje temos o prazer de relatar a vocês, hoje, que enxergamos o que pensávamos ser imposível de enxergar”. Essas foram as palavras do diretor do projeto Event Horizon Telescope, Sheperd Doeleman, imediatamente antes de apresentar no telão do auditório a primeira imagem já registrada de um buraco negro, em entrevista coletiva na sede da Fundação Nacional de Ciência (NSF, na sigla em inglês).

Minutos depois, seu colega Avery Broderick, astrofísico da Universidade de Waterloo, reforçaria, “enxergamos o que era impossível enxergar”, acrescentando a pergunta “agora, o que tudo isso significa?” – e passou a descrever a jornada dos fótons iniciada no ambiente mais extremo conhecido no universo: a vizinhança de um buraco negro. A apresentação de Broderick terminaria com a conclusão, entre outras, de que a Relatividade Geral, proposta por Einstein, em 1915, tinha passado por mais um teste, como mencionamos em reportagem da semana passada, que descrevia os desafios técnicos do projeto. Para entendermos “o que tudo isso significa”, porém, precisamos esclarecer alguns conceitos fundamentais.

O que é um buraco negro?

“Um buraco negro é uma região no espaço que exerce uma atração gravitacional tão forte que nada que chegue perto demais dele consegue escapar, nem mesmo a luz”, contou ao Ciência na Rua Gustavo Soares, doutorando em astronomia pelo Instituto de Astronomia Geofísica e Ciências Atmosféricas da Universidade de São Paulo (IAG/USP). O conceito vem do século 18, quando o astrônomo inglês John Michell propôs a possível existência de um objeto com a característica de atrair a luz, que ele chamava de estrelas escuras.

“Já a ideia de buraco negro como conhecemos atualmente surgiu mais de 130 anos depois. Em 1916, meses após Einstein publicar a Teoria da Relatividade Geral, o astrônomo alemão Karl Schwarzschild descobriu uma possível solução para as equações de Einstein. Essa solução encontrada por Schwarzschild permitiu que se chegasse, utilizando métodos matemáticos formais, à ideia de uma região a partir da qual não se poderia escapar”, explicou Soares. “Quanto mais nos aproximamos de um buraco negro, maior a atração gravitacional que ele exerce, e maior deve ser a nossa velocidade para escaparmos dessa atração. Entretanto, segundo a teoria da relatividade, não há nada mais rápido do que a luz, e a fronteira a partir da qual nem mesmo a luz consegue escapar é chamada de ‘horizonte de eventos’, e é uma característica determinante de um buraco negro.”.

Para dentro do horizonte de eventos, há uma sombra escura, ou silhueta, e depois o ponto central, chamado de singularidade. Para fora dele, está o disco de acreção, o anel brilhante que vemos, “um disco violento de gás em órbita conduzido inextricavelmente no sentido de um horizonte de eventos”, de acordo com Broderick. “À medida que a matéria é sugada, ela é acelerada e emite radiação. Se essa radiação está sendo emitida antes de a matéria ultrapassar o horizonte de eventos, ela pode ser detectada por telescópios. Essa é uma das maneiras indiretas que astrônomos utilizam para estudar um buraco negro”, explicou Soares.

No caso do M87, há outra maneira de detectar a radiação: jatos relativísticos, “raios estreitos de material efluente se afastando rapidamente do buraco negro quase na velocidade da luz”, segundo Broderick, que explicou ainda que um dos jatos emitidos por esse buraco negro está apontado quase para a Terra. “Nos casos mais extremos, esses jatos podem penetrar a galáxia inteira e muito além. Mas não conseguimos ver a energia que sai com nossos olhos, então, para entendê-los, temos que olhar outros comprimentos de onda, então olhamos com telescópios pelo espectro eletromagnético”, contou na coletiva Sera Markoff, professora de astrofísica teórica na Universidade de Amsterdã.

Alber Einstein, em Pittsburgh (EUA), 1934

O que é a teoria da Relatividade Geral?

Outro conceito importante para entender a importância da imagem do buraco negro no centro da galáxia M87 é o de Relatividade Geral. Sobre ele, Soares esclarece: “é a teoria que explica a gravidade, generalizando as ideias de Isaac Newton, bem como algumas ideias anteriores do próprio Einstein. Segundo Einstein, a presença de objetos massivos distorce o espaço ao redor deles, semelhante a uma bola de boliche sobre um lençol esticado. Essa distorção é sentida na forma da gravidade, e ela é maior conforme a massa do objeto aumenta. Além de explicar a gravitação, a teoria da Relatividade Geral é importante por vários motivos: na astronomia e astrofísica, ela permite a existência de buracos negros estelares, que surgem a partir da morte de uma estrela, e de buracos negros supermassivos no centro de galáxias, cuja origem ainda é desconhecida, mas que são capazes de influenciar toda a evolução de sua galáxia hospedeira. Em cosmologia, há evidências de que o universo está em expansão acelerada. Para explicar isso, é preciso usar as equações da Relatividade Geral. Por fim, uma aplicação prática da teoria é o GPS, que precisa levar em conta alguns efeitos previstos pela relatividade para prover uma localização precisa”.

“Na Relatividade Geral, as ondas de rádio caem, assim como maçãs. Tipicamente é um efeito extremamente pequeno, mas os buracos negros são gravidade enlouquecida”, contou Broderick na coletiva. Ele então explicou que a teoria previa que a sombra escura, ou silhueta, deveria ser circular, com uma pequena variação, e com diâmetro definido apenas pela massa. “No entanto, como em toda viagem de descobrimento, não sabíamos o que iríamos encontrar. Einstein estava errado? O objeto no coração da M87 não era um buraco negro?”. A silhueta poderia nem existir. Mas, com satisfação na voz, Broderick confirmou: “a sombra existe, é aproximadamente circular e a massa inferida bate com estimativas feitas para estrelas 100 mil vezes mais distantes. Hoje, a Relatividade Geral passou em outro teste crucial”.

Galáxia M87 e o jato emitido por seu buraco negro – NASA, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

As descobertas

“O que confirmamos agora é que a Relatividade Geral não muda quando olhamos para buracos negros com diferentes massas, o que acontece é que o impacto desse buraco negro muda muito. Então, se queremos entender o papel deles no universo, precisamos determinar precisamente a massa. E isso era um problema até agora”, contou Markoff. “Chegar ao impacto disso é importante porque a enorme massa do buraco negro da M87 torna ele um monstro, até para os padrões de buracos negros supermassivos, ele é quase do tamanho do nosso sistema solar inteiro, e isso é parte das razões por que podemos vê-lo, mesmo sendo tão longe”.

Comparando com a galáxia M87 que o hospeda, o buraco negro é ínfimo, cerca de 100 milhões de vezes menor. Se estivesse dormente, como o Sagittarius A*, que fica no centro da Via Láctea, “seria basicamente uma pedrinha no sapato”, comparou a astrofísica. Quando está no estado ativado, porém, capturando material por gravitação, ele converte esse combustível em outras formas de energia com quase 100 vezes mais eficiência do que a fusão nuclear, que alimenta estrelas como o nosso Sol. “Quando isso acontece, buracos negros se tornam os motores mais poderosos do universo e passam rapidamente de uma pedrinha no sapato para um espinho na lateral da galáxia. Esses espinhos são os jatos mencionados”, explicou Markoff.

“Esses pequeninos buracos negros de alguma forma estão lançando essas estruturas e também aquecendo gás para evitar que estrelas se formem. E, como galáxias crescem formando estrelas, isso tem o efeito de truncar o crescimento delas”, contou Markoff, ponderando que o M87 está num estado mais modesto de ativação. “Até agora, sempre pensamos que os buracos negros estavam por trás dessas estruturas grandes [galáxias e aglomerados de galáxias], conduzindo esses motores, mas nunca soubemos. E agora, com o EHT, temos evidência direta da raiz desses problemas, podemos começar a entender, combinando gravidade forte, campos magnéticos e processos em nível atômico, como esses processos interagem e conspiram para fazer essas enormes estruturas que basicamente afetam as maiores escalas do universo”.

Via Láctea, em imagem do telescópio Hubble – NASA

O futuro

“A Teoria da Relatividade Geral já havia sido exaustivamente testada e aprovada desde sua formulação no início do século passado. Porém, nunca havia sido submetida a um teste em um ambiente tão extremo quanto a região próxima de um buraco negro”, explica Fabio Cafardo, doutorando de astronomia do IAG/USP. “Isso não significa que a Relatividade Geral esteja 100% completa. Ainda existem diversas questões em aberto que carecem de explicações. Por exemplo: não existe uma teoria de Gravitação Quântica, que unifique tanto os conhecimentos sobre a gravitação quanto os conhecimentos de Mecânica Quântica; a questão da singularidade gravitacional (o ponto em que toda a massa de um buraco negro está concentrado) também ainda está em aberto; isso sem falar na energia escura (que é usada para explicar a expansão acelerada do universo). Os avanços que são conquistados na nossa compreensão sobre a Relatividade Geral são importantíssimos para que possamos avançar nestas e em outras frentes do conhecimento humano”.

“Tenho que admitir que fiquei um pouco espantado por [o resultado] ter batido tão perto com as previsões que fizemos, é gratificante , às vezes frustrante”, disse Broderick que, em outro momento confessou, um pouco zombeteiro, que o melhor que poderia ter acontecido era a equipe suplantar Einstein. “Foi um alívio catártico as coisas finalmente terem funcionado, mas também a antecipação pela fantástica ciência que faremos estudando essa imagem de perto e repetindo o experimento. Vamos poder aumentar a precisão e talvez encontrar as surpresas que não encontramos.”

“As mesmas observações que fizemos para o M87, fizemos para o buraco negro adormecido no nosso centro galático. Olhando esses dois buracos negros em extremos opostos de atividade, especialmente combinando com informações de comprimentos de onda múltiplos, poderemos entender melhor o vai e vem da influência dos buracos negros no longo curso da nossa história no universo”, disse Markoff, que depois afirmou: “é só o começo, para mim”.

Aglomerado de galáxias Abell 2537, distorcendo o espaço-tempo ao seu redor – ESA/Hubble/NASA

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