Nada escapa de um buraco negro, e agora os astrônomos têm provas
Se os horizontes de eventos são reais, então uma estrela caindo em um buraco negro central seria simplesmente devorada, sem deixar vestígios do encontro para trás. Crédito da imagem: Mark A. Garlick/CfA.
O horizonte de eventos é real, e nós o conhecemos mesmo sem precisar vê-lo diretamente.
Para onde vamos, não precisaremos de olhos para ver. – Sam Neill, Horizonte de Eventos
Se você coletar mais e mais matéria em um volume de espaço pequeno o suficiente, fica cada vez mais difícil escapar de sua atração gravitacional. Reúna massa suficiente lá e você descobrirá que a velocidade que você precisa alcançar para escapar é maior que a velocidade da luz! De dentro dessa região, a fuga é impossível e você tem um buraco negro. De mais longe, onde a velocidade de escape é menor que a velocidade da luz, a matéria e a radiação podem fazê-lo. A fronteira dessas duas regiões é conhecido como horizonte de eventos , e é uma das previsões mais importantes da Relatividade Geral que nunca foi testada. Até agora, isto é, onde os signos que importam desaparecem completamente quando se cruza não podem ser ignorados.
No centro da nossa galáxia, encontramos o maior buraco negro em mais de um milhão de anos-luz. Observando as órbitas das estrelas em sua vizinhança, podemos determinar que existe um objeto com:
- a massa de cerca de 4 milhões de sóis,
- que ocasionalmente brilha em certos comprimentos de onda (raios X e rádio) de luz,
- que não emite luz visível/infravermelha,
- e isso é consistente com um buraco negro.
Mas nunca determinamos se realmente tem um horizonte de eventos ou não. Claro, a Relatividade Geral foi bem-sucedida todas as vezes que pudemos testá-la, mas cada novo desafio é uma nova oportunidade de aprender algo novo sobre o Universo.
Embora existam saídas de gás e sinais de rádio/raios-x da matéria que não é absorvida por um buraco negro, nada deve ser capaz de sair/sair depois de cruzar o horizonte de eventos. Crédito da imagem: Top, óptico, Telescópio Espacial Hubble / NASA / Wikisky; inferior esquerdo, rádio, NRAO / Very Large Array (VLA); inferior direito, raio-X, NASA / telescópio de raios-X Chandra.
Sempre há alternativas a serem consideradas, e há toda uma classe de modificações na gravidade que podemos fazer que tornam possível que horizontes de eventos não existam. Nesses cenários, em vez de um horizonte de eventos em torno de uma singularidade, uma massa gigante como essa teria uma superfície dura contra a qual os objetos poderiam se chocar. Se este fosse o caso, você seria capaz de dizer a diferença de duas maneiras. A primeira (e mais óbvia) maneira seria com imagens diretas: se você obtivesse uma resolução suficientemente boa, um telescópio seria capaz de ver o horizonte de eventos por si mesmo… ou não encontrar horizonte algum, se uma das alternativas à Relatividade Geral eram verdade. O telescópio Event Horizon, cujos primeiros resultados devem sair ainda este ano , deve ser capaz de ver se um horizonte de eventos realmente existe.
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. Crédito da imagem: Simulações GRMHD da variabilidade da amplitude de visibilidade para imagens do Event Horizon Telescope de Sgr A*, L. Medeiros et al., arXiv:1601.06799.
Mas há uma segunda maneira que não depende de imagens diretas e pode encontrar a resposta de qualquer maneira. Buracos negros supermassivos ocorrem não apenas no centro de nossa própria galáxia, mas nos núcleos centrais da maioria das grandes galáxias em todo o Universo. O buraco negro da nossa Via Láctea, com quatro milhões de massas solares, pode realmente estar na extremidade inferior: muitas galáxias têm buracos negros que se estendem até bilhões ou mesmo dezenas de bilhões de massas solares. Quanto maior for um buraco negro, maior será a área da seção transversal de seu horizonte de eventos, o que significa que ele tem uma chance muito maior de um objeto que passa impactá-lo.
Uma ilustração de um buraco negro ativo, que acumula matéria e acelera uma parte dela para fora em dois jatos perpendiculares, pode descrever o buraco negro no centro de nossa galáxia em muitos aspectos. Mas nada de dentro do horizonte de eventos poderia sair. Crédito da imagem: Mark A. Garlick.
Os maiores buracos negros conhecidos têm diâmetros cerca de dez vezes o tamanho da órbita de Plutão, o que significa que, se observarmos um número muito grande deles por tempo suficiente, devemos testemunhar uma estrela se chocando com um deles eventualmente. O telescópio Pan-STARRS, tendo acabado de completar um enorme conjunto de observações profundas por 3,5 anos – cobrindo cerca de 3/4 de todo o céu repetidamente – foi capaz de procurar eventos transitórios, ou brilhos e escurecimentos temporários. Se os horizontes de eventos forem reais, estrelas engolidas não criariam um sinal transitório, mas estrelas colidindo com uma superfície dura criaria uma explosão significativa de luz .
Se uma superfície dura, em vez de um horizonte de eventos, existe em torno de um objeto supermassivo, uma colisão deve resultar em uma explosão luminosa que telescópios como o Pan-STARRS devem perceber facilmente. Crédito da imagem: Mark A. Garlick / CfA.
De acordo com Wenbin Lu, um cientista que estudou essas observações para testar a teoria da superfície dura,
Dada a taxa de estrelas caindo em buracos negros e a densidade numérica de buracos negros no universo próximo, calculamos quantos desses transientes o Pan-STARRS deveria ter detectado durante um período de operação de 3,5 anos. Acontece que deveria ter detectado mais de 10 deles, se a teoria da superfície dura for verdadeira.
Dados todos os buracos negros com massas superiores a 100 milhões de massas solares, deveria haver uma assinatura definitiva se houvesse uma superfície dura fora do horizonte de eventos do buraco negro. No entanto, nenhuma assinatura foi vista.
Após a colisão de uma estrela com uma superfície dura em torno de um objeto supermassivo, resultaria um grande aumento temporário na luminosidade, mas nenhuma dessas mudanças foi observada em torno de nenhum dos buracos negros supermassivos dentro da visão do Pan-STARRS. Crédito da imagem: Mark A. Garlick/CfA.
Ramesh Narayan, um coautor do novo estudo , ficou feliz em articular o que tudo isso significava,
Nosso trabalho implica que alguns, e talvez todos, os buracos negros têm horizontes de eventos e que o material realmente desaparece do universo observável quando puxado para esses objetos exóticos, como esperávamos há décadas. A Relatividade Geral passou por outro teste crítico.
Claro, não é realmente possível provar que o horizonte de eventos é real, mas este trabalho permite que algumas restrições impressionantes sejam colocadas.
Cálculos teóricos prevêem um horizonte de eventos para todos os buracos negros, obscurecendo a região central de acordo com a Relatividade Geral. Esta é uma previsão que nunca foi testada observacionalmente, até agora. Crédito da imagem: Ute Kraus, grupo de ensino de física Kraus, Universität Hildesheim; Axel Mellinger (fundo).
Se houver uma superfície dura, ela deve estar dentro de 0,01% do raio do horizonte de eventos esperado, dada a falta de sinais transitórios observados. Uma assinatura de calor no óptico/infravermelho seria esperada, que é exatamente o que o Pan-STARRS seria sensível. No entanto, nada foi observado. No futuro, o Large Synoptic Survey Telescope (LSST), que terá mais de 20 vezes o poder de captação de luz do Pan-STARRS, será capaz de restringir o horizonte de eventos a um tamanho ridiculamente pequeno. Mas o LSST não começará a fazer ciência até 2021, se as coisas permanecerem dentro do cronograma.
Uma visão dos diferentes telescópios que contribuem para as capacidades de imagem do Event Horizon Telescope de um dos hemisférios da Terra. Dados coletados em abril devem permitir a detecção (ou não detecção) de um horizonte de eventos em torno de Sagitário A* no próximo ano. Crédito da imagem: APEX, IRAM, G. Narayanan, J. McMahon, JCMT/JAC, S. Hostler, D. Harvey, ESO/C. Malin.
A essa altura, os dados do Event Horizon Telescope já estarão disponíveis. Se o horizonte de eventos for realmente, fisicamente real, não precisaremos de provas indiretas como esta; já teremos uma foto. Enquanto isso, devemos celebrar as novas evidências que temos e reconhecer o que isso significa: quando algo cai em um buraco negro, não há retorno, estilhaçamento ou ejeção de dentro. Depois de passar pelo horizonte de eventos, você está destinado a cair na singularidade central. No que diz respeito aos buracos negros, há realmente um ponto sem retorno.
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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