Começa Com Um Estrondo

10 lições profundas da nossa primeira imagem do horizonte de eventos de um buraco negro

Em abril de 2017, todos os 8 telescópios/matrizes de telescópios associados ao Event Horizon Telescope apontavam para Messier 87. É assim que um buraco negro supermassivo se parece, onde o horizonte de eventos é claramente visível. (EVENTO HORIZON TELESCÓPIO COLABORAÇÃO ET AL.)

E o que ainda nos resta aprender?

A ideia original de um buraco negro remonta a 1783, quando o cientista de Cambridge John Michell reconheceu que um objeto suficientemente massivo em um pequeno volume de espaço tornaria tudo – mesmo a luz – incapaz de escapar dele. Mais de um século depois, Karl Schwarzschild descobriu uma solução exata para a Relatividade Geral de Einstein que previa o mesmo resultado: um buraco negro.

Tanto Michell quanto Schwarzschild previram uma relação explícita entre o horizonte de eventos, ou o raio da região da qual a luz não pode escapar, e a massa do buraco negro, bem como a velocidade da luz. Por 103 anos após Schwarzschild, essa previsão não foi testada. Finalmente, em 10 de abril de 2019, os cientistas revelaram a primeira imagem do horizonte de eventos de um buraco negro. A teoria de Einstein venceu novamente, assim como toda a ciência.

O segundo maior buraco negro visto da Terra, aquele no centro da galáxia M87, é mostrado em três vistas aqui. No topo está o óptico do Hubble, no canto inferior esquerdo está o rádio do NRAO e no canto inferior direito está o raio-X do Chandra. Apesar de sua massa de 6,6 bilhões de sóis, está mais de 2.000 vezes mais distante do que Sagitário A*. O Event Horizon Telescope tentou visualizar seu buraco negro no rádio, e esta é agora a localização do primeiro buraco negro a ter seu horizonte de eventos revelado. (TOP, ÓPTICO, TELESCÓPIO ESPACIAL HUBBLE / NASA / WIKISKY; INFERIOR ESQUERDO, RÁDIO, NRAO / VERY LARGE ARRAY (VLA); INFERIOR DIREITO, X-RAY, NASA / CHANDRA X-RAY TELESCOPE)

Apesar já sabíamos muito sobre buracos negros antes da primeira imagem direta de um horizonte de eventos, este novo lançamento realmente se qualifica como um divisor de águas. Havia um monte de perguntas que tínhamos antes dessa descoberta , e muitos deles já foram respondidos com sucesso .

Em 10 de abril de 2019, a colaboração do Event Horizon Telescope divulgou a primeira imagem bem-sucedida do horizonte de eventos de um buraco negro. O buraco negro em questão vem da galáxia Messier 87: a maior e mais massiva galáxia dentro do nosso superaglomerado local de galáxias. O diâmetro angular do horizonte de eventos foi medido em 42 micro-arc-segundos, o que implica que seriam necessários 23 quatrilhões de buracos negros de tamanho equivalente para preencher todo o céu.

O enorme halo em torno da galáxia elíptica gigante Messier 87 aparece nesta imagem muito profunda. Um excesso de luz na parte superior direita deste halo e o movimento de nebulosas planetárias na galáxia são os últimos sinais remanescentes de uma galáxia de tamanho médio que colidiu recentemente com Messier 87. (CHRIS MIHOS (CASE WESTERN RESERVE UNIVERSITY)/ESO)

A uma distância de 55 milhões de anos-luz, a massa inferida para o buraco negro é 6,5 bilhões de vezes maior que o nosso Sol. Fisicamente, isso corresponde a um tamanho maior que o da órbita de Plutão ao redor do Sol. Se não houvesse buraco negro presente, a luz levaria cerca de um dia para atravessar o diâmetro do horizonte de eventos. É só porque:

o Event Horizon Telescope tem resolução suficiente para ver este buraco negro,
o buraco negro é um forte emissor de ondas de rádio,
e há muito poucas emissões de rádio em primeiro plano para contaminar o sinal,

que fomos capazes de construir esta primeira imagem. Agora que fizemos isso, aqui estão 10 lições profundas que aprendemos ou estamos a caminho de aprender.

1. Este é realmente um buraco negro, como previsto pela Relatividade Geral . Se você já viu um artigo com um título como, o teórico afirma corajosamente que os buracos negros não existem ou que essa nova teoria da gravidade poderia derrubar Einstein, você provavelmente descobriu que os físicos não têm problemas em inventar teorias alternativas para o convencional. Embora a Relatividade Geral tenha passado em todos os testes que fizemos, não faltam extensões, substitutos ou possíveis substituições.

Bem, esta observação exclui um monte deles. Agora sabemos que este é um buraco negro e não um buraco de minhoca, pelo menos para a classe mais convencional de modelos de buracos de minhoca. Sabemos que existe um horizonte de eventos real e não uma singularidade nua, pelo menos para muitas classes gerais de singularidades nuas. Sabemos que o horizonte de eventos não é uma superfície dura, pois a matéria em queda teria gerado uma assinatura infravermelha. Isto é, até os limites das observações que fizemos, consistente com a Relatividade Geral.

No entanto, a observação também não diz nada sobre a matéria escura, as teorias da gravidade mais modificadas, a gravidade quântica ou o que está por trás do horizonte de eventos. Essas ideias estão fora do escopo das observações do Event Horizon Telescope.

Uma grande quantidade de estrelas foi detectada perto do buraco negro supermassivo no núcleo da Via Láctea, enquanto o M87 oferece a perspectiva de observar características de absorção de estrelas próximas. Isso permite inferir uma massa para o buraco negro central, gravitacionalmente. Você também pode fazer medições do gás orbitando um buraco negro. As medições de gás são sistematicamente menores, enquanto as medições gravitacionais são maiores. Os resultados do Event Horizon Telescope concordam com os dados gravitacionais, e não com os dados baseados em gás. (S. SAKAI / A. GHEZ / OBSERVATÓRIO W.M. KECK / UCLA GALACTIC CENTER GROUP)

2. A dinâmica gravitacional das estrelas fornece boas estimativas para as massas dos buracos negros; observações de gás não . Antes da primeira imagem do Event Horizon Telescope, tínhamos várias maneiras diferentes de medir as massas dos buracos negros. Poderíamos usar medições de estrelas – como as órbitas individuais de estrelas ao redor do buraco negro em nossa própria galáxia ou as linhas de absorção de estrelas em M87 – que nos dão uma massa gravitacional, ou emissões do gás em movimento ao redor do centro negro. orifício.

Tanto para nossa galáxia quanto para M87, essas duas estimativas eram muito diferentes, com as estimativas gravitacionais sendo cerca de 50 a 90% maiores do que as estimativas de gás. Para M87, as medições de gás indicaram uma massa de buraco negro de 3,5 bilhões de sóis, enquanto as medições gravitacionais estavam mais próximas de 6,2 a 6,6 bilhões. A partir de resultados do Event Horizon Telescope , o buraco negro pesa 6,5 bilhões de massas solares, nos dizendo que a dinâmica gravitacional é um bom marcador de massas de buracos negros, mas as inferências do gás são tendenciosas para valores mais baixos. É uma ótima oportunidade para reexaminar nossas suposições astrofísicas sobre o gás em órbita.

Localizada a aproximadamente 55 milhões de anos-luz da Terra, a galáxia M87 contém um enorme jato relativístico, bem como fluxos que aparecem tanto no rádio quanto no raio-X. Esta imagem óptica mostra um jato; agora sabemos, a partir do Event Horizon Telescope, que o eixo de rotação do buraco negro aponta para longe da Terra, inclinado a cerca de 17 graus. (ISSO)

3. Este tem que ser um buraco negro em rotação, e seu eixo de rotação aponta para longe da Terra . Com observações do horizonte de eventos, as emissões de rádio ao seu redor, o jato de grande escala e as emissões de rádio estendidas que foram medidas anteriormente por outros observatórios, a Colaboração do Telescópio do Horizonte de Eventos determinou que este deve ser um Kerr (rotativo) e não um buraco negro de Schwarzschild (não rotativo).

Não há um recurso simples que possamos analisar para provocar essa natureza. Em vez disso, temos que construir modelos deslumbrantes do próprio buraco negro e da matéria fora dele, e depois evoluí-los para ver o que ocorre. Quando você observa os vários sinais que podem surgir, você ganha a capacidade de restringir o que é possivelmente consistente com seus resultados. O buraco negro deve estar girando e o eixo de rotação aponta para longe da Terra a cerca de 17 graus.

Arte conceitual de um anel de acreção e jato em torno de um buraco negro supermassivo. Embora esta tenha sido a nossa imagem de como os motores dos buracos negros devem funcionar por um longo tempo, o Event Horizon Telescope forneceu novas evidências para validá-lo. (NASA/JPL-CALTECH)

4. Conseguimos determinar definitivamente que há matéria, consistente com discos e fluxos de acreção, ao redor do buraco negro . Já sabíamos que o M87 tinha um jato pelas observações ópticas e que também emitia ondas de rádio e raios-X. Você realmente não pode obter esse tipo de radiação apenas de estrelas ou fótons; você precisa de matéria e elétrons em particular. Somente acelerando elétrons em um campo magnético você pode obter a emissão de rádio característica que vimos: radiação síncrotron.

Isso também exigiu uma quantidade incrível de trabalho de simulação. Ao mexer nos vários parâmetros de todos os modelos possíveis, você aprende que essas observações não apenas exigem fluxos de acreção para explicar os resultados de rádio, mas também preveem resultados não rádio, como emissões de raios X. Não é apenas o Event Horizon Telescope que fez observações importantes para isso, mas outros observatórios, como o telescópio de raios-X Chandra. Os fluxos de acreção devem ficar quentes, conforme indicado pelo espectro das emissões centrais do M87, consistente com elétrons relativísticos e acelerados em um campo magnético.

A impressão deste artista retrata os caminhos dos fótons nas proximidades de um buraco negro. A curvatura gravitacional e a captura da luz pelo horizonte de eventos é a causa da sombra capturada pelo Event Horizon Telescope. Os fótons que não são capturados criam uma esfera característica, e isso nos ajuda a confirmar a validade da Relatividade Geral neste regime recém-testado. (NICOLLE R. FULLER/NSF)

5. O anel visível indica a força da gravidade e da lente gravitacional ao redor do buraco negro central; novamente, a Relatividade Geral passa no teste . Esse anel de rádio não corresponde ao próprio horizonte de eventos, nem a um anel de partículas em órbita. Também não é a órbita circular estável mais interna (ISCO) do buraco negro. Em vez disso, esse anel surge de uma esfera de fótons com lentes gravitacionais, que são dobrados pela gravidade do buraco negro antes de chegarem aos nossos olhos.

A luz é dobrada em uma esfera maior do que você esperaria se a gravidade não fosse tão forte. De acordo com o primeiro de seis papéis divulgado pela Event Horizon Telescope Collaboration,

Descobrimos que >50% do fluxo total em escalas de segundos de arco vem de perto do horizonte, e que a emissão é drasticamente suprimida no interior dessa região por um fator >10, fornecendo evidência direta da sombra prevista de um buraco negro.

A concordância entre as previsões da Relatividade Geral e o que vimos aqui é outra pena notável no topo da maior teoria de Einstein.

As quatro imagens diferentes de quatro tempos diferentes mostram claramente que dois pares de imagens variam pouco em uma escala de tempo de um dia, mas muito depois de 3 ou 4 dias. Dada a escala de tempo da variabilidade de M87, isso é extremamente consistente com nossa imagem de como os buracos negros devem evoluir e evoluir. (COLABORAÇÃO DO TELESCÓPIO HORIZON DO EVENTO)

6. Os buracos negros são entidades dinâmicas e a radiação emitida por eles muda com o tempo . Com uma massa reconstruída de 6,5 bilhões de massas solares, leva aproximadamente um dia para a luz viajar pelo horizonte de eventos do buraco negro. Isso define aproximadamente a escala de tempo na qual esperamos ver as características mudarem e flutuarem na radiação observada pelo Event Horizon Telescope.

Mesmo com observações que duram apenas alguns dias, confirmamos que a estrutura da radiação emitida muda ao longo do tempo, conforme previsto. Os dados de 2017 contêm quatro noites de observações. Mesmo olhando para essas quatro imagens, você pode ver visualmente como as duas primeiras datas têm características semelhantes, e as duas últimas datas têm características semelhantes, mas há mudanças definitivas que são visíveis – e variáveis – entre os conjuntos de imagens iniciais e finais. Em outras palavras, as características da radiação do buraco negro de M87 realmente estão mudando ao longo do tempo.

O buraco negro supermassivo da nossa galáxia testemunhou algumas explosões incrivelmente brilhantes, mas nenhuma foi tão brilhante ou duradoura quanto XJ1500 + 0134. Devido a eventos como este e muitos outros, existe uma grande quantidade de dados do Chandra, ao longo de um período de 19 anos, do centro galáctico. O Event Horizon Telescope finalmente nos permitirá investigar suas origens. (NASA/CXC/STANFORD/I. ZHURAVLEVA ET AL.)

7. O Event Horizon Telescope irá, no futuro, revelar a origem física das explosões de buracos negros . Vimos, tanto em raios-X quanto em rádio, o buraco negro no centro de nossa Via Láctea emitir rajadas transitórias de radiação. Embora a primeira imagem divulgada tenha sido do buraco negro ultramassivo em M87, o da nossa galáxia – Sagitário A* – será tão grande quanto, mas mudará em escalas de tempo muito mais rápidas.

Em vez de 6,5 bilhões de massas solares, a massa de Sagitário A* é de apenas 4 milhões de massas solares: 0,06% maior. Isso significa que, em vez de variar em uma escala de tempo de cerca de um dia, estamos analisando a variabilidade na escala de tempo de cerca de um minuto. Suas características evoluirão rapidamente e, quando ocorrer uma erupção, deverá ser capaz de revelar qual é a natureza dessas erupções.

Como os flares se relacionam com a temperatura e a luminosidade dos recursos de rádio que podemos ver? Existem eventos de reconexão magnética acontecendo, semelhantes a ejeções de massa coronal do nosso Sol? Algo está sendo cortado nos fluxos de acreção? Sagitário A* acende diariamente, para que possamos rastrear os sinais associados a esses eventos. Se nossas simulações e observações forem tão boas quanto para M87, e deveriam ser, seremos capazes de determinar o que impulsiona esses eventos e talvez até aprender o que cai no buraco negro para criá-los.

A impressão deste artista retrata os arredores de um buraco negro, mostrando um disco de acreção de plasma superaquecido e um jato relativístico. Ainda não determinamos se os buracos negros têm seu próprio campo magnético, independente da matéria fora dele. (NICOLLE R. FULLER/NSF)

8. Os dados de polarização estão chegando e revelarão se os buracos negros têm um campo magnético intrínseco . Embora todos nós certamente tenhamos gostado da primeira imagem do horizonte de eventos de um buraco negro, é importante perceber que uma imagem totalmente nova está a caminho: uma que ilustra a polarização da luz proveniente do buraco negro. Devido à natureza eletromagnética da luz, sua interação com um campo magnético imprimirá uma assinatura de polarização específica, permitindo-nos reconstruir o campo magnético de um buraco negro, bem como como esse campo muda ao longo do tempo.

Sabemos que a matéria fora do horizonte de eventos, por se basear em partículas carregadas em movimento (como elétrons), gerará seu próprio campo magnético. Os modelos indicam que as linhas de campo podem permanecer nos fluxos de acreção ou passar pelo horizonte de eventos, resultando no buraco negro ancorando-as. Existe uma conexão entre esses campos magnéticos, acreção e crescimento de buracos negros e os jatos que eles emitem. Sem os campos, não haveria como a matéria nos fluxos de acreção perder o momento angular e cair no horizonte de eventos.

Os dados de polarização, através do poder da imagem polarimétrica, nos dirão isso. Já temos os dados; só precisamos realizar a análise completa.

Nos centros das galáxias, existem estrelas, gás, poeira e (como sabemos agora) buracos negros, todos orbitando e interagindo com a presença supermassiva central na galáxia. As massas aqui não apenas respondem ao espaço curvo, elas também curvam o espaço. Isso deve fazer com que os buracos negros centrais experimentem um jitter, que futuras atualizações no Event Horizon Telescope podem nos permitir ver. (ESO/MPE/MARC SCHARTMANN)

9. Melhorias na instrumentação do Event Horizon Telescope revelarão a presença de buracos negros adicionais perto dos centros galácticos . Quando um planeta orbita o Sol, não é apenas porque o Sol exerce uma atração gravitacional sobre o planeta. Em vez disso, há uma reação igual e oposta: o planeta puxa o Sol para trás. Da mesma forma, quando um objeto orbita um buraco negro, ele também exerce uma atração gravitacional no próprio buraco negro. Com uma enorme quantidade de massas perto dos centros das galáxias – e, em teoria, muitos buracos negros pequenos e invisíveis também estão presentes – o buraco negro central deve experimentar um tremor semelhante ao movimento browniano em sua posição.

A dificuldade em fazer essa medição, hoje, é que você precisa de um ponto de referência para calibrar sua posição em relação à localização do buraco negro. A técnica para medir isso envolveria olhar para o seu calibrador, depois para a sua fonte, depois para o seu calibrador, depois para a sua fonte, etc. Isso requer desviar o olhar e depois voltar para o seu alvo muito rapidamente. Infelizmente, a atmosfera muda tão rapidamente, em escalas de tempo entre 1 e 10 segundos, que você não tem tempo de desviar o olhar e depois voltar ao seu alvo. Isso não pode ser feito com a tecnologia de hoje.

Mas este é um reino onde a tecnologia está melhorando incrivelmente rapidamente. Os instrumentos usados pela colaboração do Event Horizon Telescope estão antecipando atualizações e podem atingir a velocidade necessária em meados da década de 2020. Esse quebra-cabeça pode ser resolvido até o final da próxima década, tudo devido a melhorias na instrumentação.

Um mapa da exposição de 7 milhões de segundos do Chandra Deep Field-South. Esta região mostra centenas de buracos negros supermassivos, cada um em uma galáxia muito além da nossa. O campo GOODS-South, um projeto do Hubble, foi escolhido para ser centrado nesta imagem original. Um Telescópio Event Horizon atualizado pode ser capaz de ver centenas de buracos negros também. (NASA / CXC / B. LUO ET AL., 2017, APJS, 228, 2)

10. Finalmente, o Event Horizon Telescope pode eventualmente ver centenas de buracos negros . Para resolver um buraco negro, você precisa que o poder de resolução do seu conjunto de telescópios seja melhor (ou seja, tenha uma resolução mais alta) do que o tamanho do objeto que você está olhando. Para o atual Event Horizon Telescope, apenas três buracos negros conhecidos no Universo têm um diâmetro grande o suficiente: Sagitário A*, o centro de M87 e o centro da galáxia (radio-silenciosa) NGC 1277.

Mas poderíamos aumentar o poder do Event Horizon Telescope além do tamanho da Terra, lançando telescópios em órbita. Em teoria, isso já é tecnologicamente viável. Na verdade, o Missão russa Spekt-R (ou RadioAstron) está fazendo agora! Um conjunto de naves espaciais com radiotelescópios em órbita ao redor da Terra permitiria uma resolução muito superior à que temos hoje. Se aumentássemos nossa linha de base por um fator de 10 ou 100, nossa resolução aumentaria na mesma proporção. E, da mesma forma, à medida que aumentamos a frequência de nossas observações, também aumentamos nossa resolução, assim como mais comprimentos de onda de luz de alta frequência podem caber no mesmo diâmetro do telescópio.

Com essas melhorias, em vez de apenas 2 ou 3 galáxias, poderíamos revelar buracos negros em centenas delas, ou possivelmente até mais. À medida que as taxas de transferência de dados continuam a aumentar, o downlinking rápido pode ser possível, para que não precisemos fisicamente devolver os dados a um único local. O futuro da imagem de buracos negros é brilhante.

É importante reconhecer que absolutamente não poderíamos ter feito isso sem uma rede global e internacional de cientistas e equipamentos trabalhando juntos. Você pode aprender ainda mais sobre a história detalhada de como essa conquista espetacular aconteceu, pois será contada em um documentário do Smithsonian que estreia nesta sexta-feira, 12 de abril.

Muitos já estão especulando, embora seja tarde demais para este ano, que essa descoberta pode levar a um Prêmio Nobel de Física a ser concedido já em 2020. Se isso acontecer, os candidatos a quem poderá receber o prêmio incluem:

Shep Doeleman, que foi pioneiro, fundou e liderou este projeto,
Heino Falcke, que escreveu o artigo seminal detalhando como a técnica VLBI que o Event Horizon Telescope usa poderia criar imagens de um horizonte de eventos,
Roy Kerr, cuja solução para um buraco negro giratório na Relatividade Geral é a base para os detalhes usados em todas as simulações atuais,
Jean-Pierre Luminet, quem primeiro simulou como seria uma imagem de um buraco negro na década de 1970, mesmo sugerindo M87 como um alvo em potencial,
e Avery Broderick, que fez algumas das contribuições mais importantes para modelar os fluxos de acreção em torno de buracos negros.

Este diagrama mostra a localização de todos os telescópios e conjuntos de telescópios usados nas observações de M87 do Event Horizon Telescope de 2017. Apenas o Telescópio do Pólo Sul não conseguiu visualizar M87, pois está localizado na parte errada da Terra para ver o centro dessa galáxia. (NRAO)

A história do Event Horizon Telescope é um exemplo notável de ciência de alto risco e alta recompensa. Durante a revisão decenal de 2009, sua proposta ambiciosa declarou que haveria uma imagem de um buraco negro até o final da década de 2010. Uma década depois, nós realmente temos. Isso é uma conquista incrível.

Ele contou com avanços computacionais, a construção e integração de uma série de instalações de radiotelescópios e a cooperação da comunidade internacional. Relógios atômicos, novos computadores, correlacionadores que pudessem conectar diferentes observatórios e muitas outras novas tecnologias precisavam ser inseridas em cada uma das estações. Você precisava obter permissão. E financiamento. E tempo de teste. E, além disso, permissão para observar em todos os diferentes telescópios simultaneamente.

Mas tudo isso aconteceu, e uau, isso já valeu a pena. Estamos agora vivendo na era da astronomia dos buracos negros, e o horizonte de eventos está lá para que possamos imaginar e entender. Isto é apenas o começo. Nunca se ganhou tanto observando uma região onde nada, nem mesmo a luz, pode escapar.

O autor agradece e reconhece os cientistas do EHT Michael Johnson e Shep Doeleman por seus insights incríveis e entrevistas informativas sobre os primeiros resultados e possibilidades futuras para a ciência de aprender sobre buracos negros, horizontes de eventos e os ambientes que os cercam.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .