6 perguntas supermassivas na véspera do grande anúncio do Event Horizon Telescope

O buraco negro mais visualizado de todos, conforme ilustrado no filme Interestelar, mostra um horizonte de eventos previsto com bastante precisão para uma classe muito específica de buracos negros em rotação. Nas profundezas do poço gravitacional, o tempo passa a uma taxa diferente para os observadores do que para nós fora dele. Espera-se que o Event Horizon Telescope revele as emissões ao redor do horizonte de eventos de um buraco negro, diretamente, pela primeira vez. (INTERSTELLAR / R. HURT / CALTECH)

Como deve ser um buraco negro? Nossas previsões teóricas estão prestes a encontrar nossas primeiras observações.


Na ciência, não há momento mais emocionante do que quando você confronta uma previsão teórica de longa data com os primeiros resultados observacionais ou experimentais. No início desta década, o Grande Colisor de Hádrons revelou a existência do bóson de Higgs, a última partícula fundamental não descoberta no Modelo Padrão. Há alguns anos, a colaboração do LIGO detectou diretamente ondas gravitacionais, confirmando uma previsão de longa data da Relatividade Geral de Einstein.



E em apenas alguns dias, em 10 de abril de 2019, o Event Horizon Telescope fará um anúncio muito esperado onde eles devem liberar a primeira imagem do horizonte de eventos de um buraco negro. No início da década de 2010, tal observação teria sido tecnologicamente impossível. No entanto, não apenas estamos prestes a ver como um buraco negro realmente se parece, mas também estamos prestes a testar algumas propriedades fundamentais do espaço, tempo e gravidade.





Se você deseja visualizar qualquer objeto no Universo, precisa enfrentar os dois desafios a seguir:

  1. Você deve reunir luz suficiente para ver seu alvo e revelar seus detalhes contra o ruído de fundo de seus instrumentos e de outros objetos nas proximidades de seu objeto de interesse.
  2. Você precisa de resolução suficiente (ou poder de resolução) para revelar a estrutura do objeto que está olhando, caso contrário, todos os seus dados ficarão confinados a um mero pixel.

Portanto, se você deseja visualizar o horizonte de eventos de um buraco negro, precisa coletar luz suficiente para que a radiação ao redor do buraco negro se destaque contra o resto do ambiente e também sondar escalas angulares mais estreitas que o diâmetro do evento próprio horizonte.



Dois dos possíveis modelos que podem ajustar com sucesso os dados do Event Horizon Telescope até agora, desde o início de 2018. Ambos mostram um horizonte de eventos assimétrico e descentralizado que é ampliado em relação ao raio de Schwarzschild, consistente com as previsões da Relatividade Geral de Einstein. Uma imagem completa ainda não foi divulgada ao público em geral, mas é esperada em apenas alguns dias em 2019. (R.-S. LU ET AL, APJ 859, 1)



A única maneira que temos de fazer as duas coisas é com um enorme e ultrassensível conjunto de radiotelescópios que observam os maiores buracos negros, em termos de tamanho angular, visíveis da Terra. Quanto mais massivo for o seu buraco negro, maior será o diâmetro de seu horizonte de eventos, mas parecerá menor dependendo de sua distância. Isso significa que o maior buraco negro será Sagitário A*, o supermassivo no centro da Via Láctea, enquanto o segundo maior será o ultramassivo no centro da galáxia M87, a cerca de 60 milhões de anos-luz de distância.

Embora os radiotelescópios de prato único possam detectar as emissões de qualquer um deles - ou seja, eles têm poder de coleta de luz suficiente - eles não podem resolver o horizonte de eventos. Mas uma série de telescópios, todos observando o alvo juntos, podem nos levar até lá.



Uma visão dos diferentes telescópios, de um dos hemisférios da Terra, contribuindo para as capacidades de imagem do Event Horizon Telescope. Os dados obtidos de 2011 a 2017 (particularmente em 2017) devem permitir-nos agora construir uma imagem de Sagitário A*, e possivelmente também do buraco negro no centro de M87. (APEX, IRAM, G. NARAYANAN, J. MCMAHON, JCMT/JAC, S. HOSTLER, D. HARVEY, ESO/C. MALIN)

Os buracos negros devem ser cercados por matéria que está em processo lento de ser devorada. Este material será espalhado pelo lado de fora do buraco negro, girando, aquecendo e emitindo radiação à medida que cai. Essa radiação deve vir na parte de rádio do espectro e ser observável por um conjunto de telescópios suficientemente sensível.



O Event Horizon Telescope (EHT) é exatamente o arranjo de rádio de que precisamos - com os avanços mais impressionantes provenientes da inclusão do ALMA na América do Sul - não apenas para coletar as informações de rádio, mas para obter essa resolução excessiva. O EHT consiste em dezenas de pratos individuais com poder combinado de captação de luz suficiente para revelar a radiação ao redor do buraco negro, com as distâncias entre os pratos fornecendo a resolução necessária para a imagem dos horizontes de eventos em questão.



O Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, fotografado com as nuvens de Magalhães acima. Um grande número de parabólicas próximas, como parte do ALMA, ajuda a criar muitas das imagens mais detalhadas nas áreas, enquanto um número menor de parabólicas mais distantes ajuda a aprimorar os detalhes nos locais mais claros. A adição do ALMA ao Event Horizon Telescope é o que torna possível a construção de uma imagem do horizonte de eventos. (ESO/C. MALIN)

Já usamos essa técnica antes, de interferometria de linha de base longa, para revelar detalhes que seriam invisíveis até mesmo com um enorme telescópio de prato único. Contanto que os recursos que você está tentando observar sejam brilhantes o suficiente e apareçam nos telescópios que você está usando para fazer as observações simultaneamente, você pode obter resoluções de imagem que correspondem à distância entre os telescópios, em vez do diâmetro de os próprios telescópios individuais.



A ocultação da lua de Júpiter, Io, com seus vulcões em erupção Loki e Pele, ocultada por Europa, que é invisível nesta imagem infravermelha. O GMT fornecerá resolução e imagem significativamente aprimoradas . (LBTO)

Mais espetacularmente, as matrizes de telescópios foram usadas até agora para visualizar vulcões em erupção na superfície da lua de Júpiter Io, mesmo no momento em que Io cai na sombra de outra lua de Júpiter.



O EHT usa exatamente esse mesmo conceito para sondar a radiação proveniente dos buracos negros com os maiores diâmetros angulares vistos da Terra. Aqui estão as seis coisas que estamos prontos para aprender quando as primeiras imagens forem lançadas.

O buraco negro no centro da nossa Via Láctea, simulado aqui, é o maior visto da perspectiva da Terra. O Event Horizon Telescope deve, em 10 de abril de 2019, sair com sua primeira imagem de como é o horizonte de eventos desse buraco negro central, enquanto o do centro de M87, o segundo maior, também pode ser visível com essa tecnologia . O círculo branco representa o raio de Schwarzschild do buraco negro, enquanto a região escura deve ser desprovida de emissão devido à instabilidade das órbitas ao seu redor. (UTE KRAUS, GRUPO DE EDUCAÇÃO FÍSICA KRAUS, UNIVERSIDADE DE HILDESHEIM; ANTECEDENTES: AXEL MELLINGER)

1.) Os buracos negros têm os tamanhos corretos que a Relatividade Geral prevê? De acordo com a teoria de Einstein, com base na massa gravitacional medida do buraco negro do centro da Via Láctea, o horizonte de eventos em si deve ter 11 micro-arc-segundos (μas) de diâmetro, mas não deve haver emissões provenientes de 37 μas , devido ao fato de que dentro desse diâmetro angular, a matéria deve espiralar rapidamente em direção à singularidade. Com uma resolução de 15 μas, o EHT deve ser capaz de ver um horizonte e medir se o tamanho corresponde às nossas previsões ou não. Será um teste fabuloso de Relatividade Geral.

A orientação do disco de acreção como de frente (dois painéis à esquerda) ou de borda (dois painéis à direita) pode alterar muito a aparência do buraco negro para nós. ('RUMO AO HORIZONTE DO EVENTO - O BURACO NEGRO SUPERMASSIVO NO CENTRO GALÁCTICO', CLASSE. QUANTUM GRAV., FALCKE & MARKOFF (2013))

2.) Os discos de acreção estão alinhados com o buraco negro, a galáxia hospedeira ou aleatoriamente? Nunca observamos um disco de acreção antes e, de fato, a única indicação real que temos sobre a orientação da matéria ao redor dos buracos negros vem dos casos em que:

  • há um jato emitido que podemos detectar do buraco negro,
  • ou há emissão estendida vindo da região circundante.

Mas nenhuma dessas observações é um substituto para uma medição direta. O EHT, quando essas primeiras imagens saírem, deve ser capaz de nos dizer se o disco de acreção está de lado, de frente ou em qualquer outra orientação.

Alguns dos possíveis sinais de perfil do horizonte de eventos do buraco negro, como indicam as simulações do Event Horizon Telescope. (ALTA RESOLUÇÃO ANGULAR E CIÊNCIA DE ALTA SENSIBILIDADE HABILITADA PELO BEAMFORMED ALMA, V. FISH ET AL., ARXIV: 1309.3519)

3.) O horizonte de eventos de um buraco negro é circular, como previsto, ou assume uma forma diferente? Embora se espere que todos os buracos negros fisicamente realistas girem em algum grau, prevê-se que a forma do horizonte de eventos seja indistinguível daquela de uma esfera perfeita.

Mas outras formas são possíveis. Alguns objetos se projetam ao longo de seus equadores quando giram, criando uma forma conhecida como esferíodo oblato, como o planeta Terra. Outros rastejam ao longo de seus eixos de rotação, resultando em uma forma semelhante a uma bola de futebol conhecida como esferoide prolato. Se a Relatividade Geral estiver correta, uma esfera é o que antecipamos, mas não há substituto para fazer as observações críticas nós mesmos. Quando as imagens saírem em 10 de abril, devemos ter nossas respostas.

Cinco simulações diferentes na relatividade geral, usando um modelo magnetohidrodinâmico do disco de acreção do buraco negro e como o sinal de rádio ficará como resultado. Observe a assinatura clara do horizonte de eventos em todos os resultados esperados, mas também como eles podem aparecer de maneira diferente em detalhes, dependendo da turbulência, força do campo magnético, etc. (SIMULAÇÕES GRMHD DE VARIABILIDADE DE AMPLITUDE DE VISIBILIDADE PARA IMAGENS DE TELESCÓPIO HORIZON DE EVENTO DE SGR A*, L. MEDEIROS ET AL., ARXIV:1601.06799)

4.) Por que os buracos negros brilham? Quando um buraco negro está em um estado de não queima, existem assinaturas específicas que prevemos que aparecerão ao redor do horizonte de eventos. Mas então, quando um buraco negro explode, existem diferentes características que a radiação ao seu redor exibirá.

Mas como serão essas emissões? Haverá recursos turbulentos que aparecem no disco o tempo todo? Haverá pontos quentes, como previsto, que são mais visíveis no estado de queima? Se tivermos sorte e virmos qualquer uma dessas assinaturas, podemos estar a caminho de aprender por que os buracos negros explodem, apenas observando as emissões de rádio estendidas que os cercam. Também devemos aprender, com base nessas observações, informações adicionais sobre a força dos campos magnéticos que cercam esses buracos negros.

O segundo maior buraco negro visto da Terra, aquele no centro da galáxia M87, é mostrado em três vistas aqui. Apesar de sua massa de 6,6 bilhões de sóis, está mais de 2.000 vezes mais distante do que Sagitário A*. Pode ou não ser resolvido pelo EHT, mas se o Universo for gentil, não apenas obteremos uma imagem, mas saberemos se as emissões de raios-X nos fornecem estimativas de massa precisas para buracos negros ou não. (TOP, ÓPTICO, TELESCÓPIO ESPACIAL HUBBLE / NASA / WIKISKY; INFERIOR ESQUERDO, RÁDIO, NRAO / VERY LARGE ARRAY (VLA); INFERIOR DIREITO, X-RAY, NASA / CHANDRA X-RAY TELESCOPE)

5.) As estimativas de raios-X da massa de um buraco negro são tendenciosas para valores mais baixos? Existem, atualmente, duas maneiras de inferir a massa de um buraco negro: medindo seus efeitos gravitacionais nas estrelas (e outros objetos) que o orbitam e pelas emissões (raios-X) do gás que o orbita. Podemos facilmente fazer medições baseadas em gás para a maioria dos buracos negros, incluindo aquele no centro da Via Láctea, que nos dá uma massa de aproximadamente 2,5 a 2,7 milhões de massas solares.

Mas a medição gravitacional é muito mais direta, apesar de ser um desafio observacional maior. Ainda assim, fizemos isso em nossa própria galáxia e inferimos uma massa de aproximadamente 4 milhões de massas solares: cerca de 50% maior do que a observação de raios-X indica. Esperamos que este seja o tamanho do horizonte de eventos que medimos. Se as medições de M87 mostrarem um valor mais alto do que a emissão de raios-X indica, poderíamos descobrir que as estimativas de raios-X são sistematicamente baixas, mostrando-nos que há uma nova astrofísica (mas não uma nova física fundamental) em jogo.

Uma grande quantidade de estrelas foi detectada perto do buraco negro supermassivo no núcleo da Via Láctea. Além dessas estrelas e do gás e poeira que encontramos, prevemos que existam mais de 10.000 buracos negros em apenas alguns anos-luz de Sagitário A*, mas detectá-los provou ser difícil até o início de 2018. Resolvendo o buraco negro central é uma tarefa que apenas o Event Horizon Telescope pode realizar e ainda pode detectar seu movimento ao longo do tempo. (S. SAKAI / A. GHEZ / OBSERVATÓRIO W.M. KECK / UCLA GALACTIC CENTER GROUP)

6.) Podemos ver o buraco negro tremendo ao longo do tempo, como previsto? Este pode não sair imediatamente, especialmente se tudo o que obtivermos dessas observações iniciais for uma única imagem de um ou dois buracos negros. Mas um dos objetivos científicos do EHT é observar como os buracos negros evoluem com o tempo, o que significa que eles planejam tirar várias imagens em momentos diferentes e reconstruir um filme desses buracos negros.

Por causa da presença de estrelas e outras massas, a posição aparente do buraco negro mudará significativamente ao longo do tempo, à medida que for gravitacionalmente empurrado. Embora provavelmente demore anos para observar um movimento apreciável de um buraco negro, temos dados que foram obtidos ao longo de um longo tempo. Nos centros das galáxias, os buracos negros fotografados por EHT podem começar a exibir sinais desse jitter: o equivalente cósmico do movimento browniano.

O buraco negro supermassivo no centro da nossa galáxia, Sagitário A*, brilha intensamente em raios-X sempre que a matéria é devorada. Em outros comprimentos de onda de luz, do infravermelho ao rádio, podemos ver as estrelas individuais nesta porção mais interna da galáxia. (RAIO X: NASA/UMASS/ D.WANG ET AL., IR: NASA/STSCI)

As observações críticas para criar a primeira imagem de um buraco negro, assumindo que o EHT publica um dos buracos negros no centro da Via Láctea, foram tiradas em 2017 : dois anos completos atrás. Demorou tanto para analisar, limpar, cortar, ajustar e sintetizar o conjunto completo de dados, o que equivale a cerca de 27 petabytes para a observação crítica. (Embora apenas cerca de 15% desses dados sejam relevantes e utilizáveis ​​para a construção de uma imagem.)

Às 9h, horário do leste (6h, horário do Pacífico) em 10 de abril, a colaboração EHT vai realizar uma conferência de imprensa onde eles devem liberar a primeira imagem de um horizonte de eventos, e é possível que muitas – ou possivelmente todas – dessas perguntas sejam respondidas. Quaisquer que sejam os resultados, este é um passo monumental para a física e a astrofísica, e inaugura uma nova era da ciência: testes diretos e imagens do próprio horizonte de eventos de um buraco negro!


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 .

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