• Começa Com Um Estrondo

Cientistas descobrem a estrela mais rápida em torno de um buraco negro supermassivo

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. Embora esses eventos possam resultar em erupções, muitas das estrelas passam perto o suficiente do buraco negro supermassivo para exibir efeitos relativísticos, permitindo os testes mais fortes da Relatividade Geral de Einstein já realizados. (ESO/MPE/MARC SCHARTMANN)

Se há falhas na teoria de Einstein, é assim que as encontramos.

A teoria mais poderosa de Einstein, a Relatividade Geral, está sempre correta? Ou chegará um ponto em que ele se desintegrará e exigirá uma nova inovação como a gravidade quântica para descrever com precisão nosso Universo? É uma das maiores questões indecisas em toda a física. A massa e a energia curvam o espaço, e esse espaço curvo determina como todos os objetos – massivos e sem massa – se moverão. De todas as maneiras que já testamos a relatividade de Einstein, tanto em altas velocidades quanto onde o espaço é mais curvado, ele é aprovado com louvor.

Mas a forma como a ciência progride é empurrando esses limites para extremos cada vez maiores. Para velocidade, isso significa que queremos objetos massivos que cheguem o mais próximo possível da velocidade da luz. Para maximizar o quão severamente o espaço é curvado, queremos chegar o mais próximo possível da borda do horizonte de eventos de um buraco negro. E no caso ideal, juntaríamos os dois: massas em movimento rápido perto do horizonte de eventos de um buraco negro. Dentro um novo estudo publicado em 11 de agosto de 2020 , os cientistas acabaram de encontrar os objetos mais extremos de todos os tempos: as estrelas mais rápidas que se aproximam mais da borda de um buraco negro supermassivo. Aqui está o que sabemos sobre esta nova e excitante descoberta.

Na teoria da gravidade de Newton, as órbitas fazem elipses perfeitas quando ocorrem em torno de grandes massas únicas. No entanto, na Relatividade Geral, há um efeito de precessão adicional devido à curvatura do espaço-tempo, e isso faz com que a órbita se desloque ao longo do tempo, de uma forma que pode ser mensurável com os equipamentos atuais. Esta visualização 3D ilustra o movimento estelar no centro galáctico em um determinado instante no tempo. (NCSA, UCLA / KECK, A. GHEZ GROUP; VISUALIZAÇÃO: S. LEVY E R. PATTERSON / UIUC)

Quando os objetos se movem perto da velocidade da luz, eles experimentam o espaço e o tempo de maneira diferente de como convencionalmente os concebemos. Normalmente pensamos em distâncias como fixas: se você tem uma régua e eu tenho uma régua idêntica, você pensaria que as distâncias que cada um de nós medimos entre dois pontos usando essa régua serão idênticas. O mesmo acontece com o tempo: se eu tiver um relógio e você tiver um relógio idêntico, você esperaria que o tempo que cada um medisse entre dois eventos acordados também fosse idêntico.

Mas não é assim que as coisas funcionam sob as regras da relatividade. Quanto mais próximo um objeto se move da velocidade da luz – em relação a você, o observador – maior a quantidade que ambos:

1. distâncias são contraídas ao longo de sua direção de movimento, e
2. o tempo está dilatado, o que significa que seu relógio está mais lento da sua perspectiva.

Além disso, o fato de um objeto estar em movimento em relação a você, movendo-se em sua direção ou para longe de você, significa que sua luz será sistematicamente deslocada para a porção azul ou vermelha do espectro, respectivamente.

Um objeto se movendo próximo à velocidade da luz que emite luz terá a luz que emite parecer deslocada dependendo da localização de um observador. Alguém à esquerda verá a fonte se afastando dela e, portanto, a luz será desviada para o vermelho; alguém à direita da fonte a verá deslocada para o azul, ou deslocada para frequências mais altas, à medida que a fonte se move em direção a ela. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO TXALIEN)

Esse efeito - conhecido como mudança Doppler - é a mesma razão pela qual as sirenes da polícia (ou jingles de caminhões de sorvete) soam mais agudas quando estão se movendo em sua direção, mas mais baixas quando se afastam de você. Um objeto se movendo em sua direção enquanto emite uma onda, seja uma onda sonora ou uma onda de luz, terá seus picos e vales de ondas encurtados, reduzindo seu comprimento de onda. Para a luz, isso resulta em um desvio para o azul; para o som, que resulta em um tom mais alto. Por outro lado, um objeto que se afasta de você tem seu comprimento de onda alongado, resultando em um desvio para o vermelho da luz ou um desvio para tons mais baixos do som.

Quando observamos uma estrela em nossa própria galáxia, podemos determinar se ela está se movendo em nossa direção ou se afastando de nós observando a luz que ela emite: especificamente, da luz emitida (ou absorvida) pelos elementos contidos nela. Isso é extremamente útil para a luz porque todas as linhas de emissão (ou absorção) que vêm de um elemento, como o hidrogênio, serão deslocadas na mesma quantidade. Além disso, se tivermos uma estrela em órbita em torno de outro objeto, podemos observar o ciclo de redshift e blueshift ao longo do tempo, nos ensinando sobre a dança gravitacional que está ocorrendo.

Quando uma estrela passa perto de um buraco negro supermassivo, ela entra em uma região onde o espaço é mais severamente curvado e, portanto, a luz emitida por ela tem um potencial maior para sair. A perda de energia resulta em um redshift gravitacional, independente e sobreposto a qualquer redshift doppler (velocidade) que observamos. (NICOLE R. FULLER/NSF)

Esses mesmos três efeitos que ocorrem devido ao movimento relativo entre a fonte e o observador,

• contração do comprimento,
• dilatação do tempo,
• e um redshifting/blueshifting da luz,

também ocorrem quando a fonte, o observador ou ambos são influenciados pela gravitação de outra massa. Einstein percebeu pela primeira vez que isso deve ocorrer há mais de um século, chamando a realização de seu pensamento mais feliz.

Nós agora o conhecemos como o princípio da equivalência, pois afirma que alguém experimentando uma aceleração não pode dizer se essa aceleração é devido a um efeito gravitacional ou a um efeito não gravitacional, como um impulso ou uma força externa. Os efeitos de um desvio gravitacional para o vermelho ou desvio para o azul, em particular, são muito importantes no contexto de uma estrela orbitando outro corpo massivo. Quando estiver mais próximo da outra massa, ele estará se movendo mais rápido (dando a ele um grande desvio Doppler), e também será o mais profundo no campo gravitacional da massa (dando-lhe um grande desvio gravitacional para o vermelho). Esses dois efeitos devem ser levados em consideração se quisermos testar a relatividade de Einstein.

Este painel de 2 mostra observações do Centro Galáctico com e sem Óptica Adaptativa, ilustrando o ganho de resolução. A óptica adaptativa corrige os efeitos de desfoque da atmosfera da Terra. Usando uma estrela brilhante, medimos como uma frente de onda de luz é distorcida pela atmosfera e ajustamos rapidamente a forma de um espelho deformável para remover essas distorções. Isso permite que estrelas individuais sejam resolvidas e rastreadas ao longo do tempo, no infravermelho, a partir do solo. (GRUPO DO CENTRO GALÁCTICO DA UCLA — EQUIPE DE LASER DO OBSERVATÓRIO W.M. KECK)

O melhor lugar para testar a relatividade de Einstein será onde esses efeitos relativísticos são maiores. Isso significa que queremos ver estrelas que passam o mais próximo possível do horizonte de eventos de um buraco negro. O horizonte de eventos, lembre-se, é a fronteira invisível entre onde um objeto poderia, em teoria, escapar, e aquele ponto sem retorno, onde qualquer coisa que o atravesse será inevitavelmente atraído para a singularidade central do buraco negro. Uma vez que qualquer objeto cruza o horizonte de eventos, nada – nem mesmo a luz – pode sair novamente.

O problema é que as estrelas são objetos relativamente grandes e, se você chegar muito perto do horizonte de eventos de um buraco negro, as forças das marés acabarão destruindo essa estrela. Isso pode resultar em uma classe de cataclismos estelares conhecidos como eventos de ruptura de maré, que levam a grandes quantidades de fusão nuclear e resultam na morte da estrela. Isso efetivamente nos proíbe de olhar para estrelas em órbita em torno de buracos negros de massa estelar, pois é onde as forças de maré são mais fortes. Vimos esses eventos de ruptura das marés e concluímos que é simplesmente muito fácil para esses pequenos buracos negros destruir estrelas.

Quando uma estrela ou cadáver estelar passa muito perto de um buraco negro, as forças de maré dessa massa concentrada são capazes de destruir completamente o objeto, destruindo-o. Embora uma pequena fração da matéria seja devorada pelo buraco negro, a maior parte simplesmente acelerará e será ejetada de volta ao espaço. (ILUSTRAÇÃO: NASA/CXC/M.WEISS; RAIO X (TOP): NASA/CXC/MPE/S.KOMOSSA ET AL. (L); ÓPTICO: ESO/MPE/S.KOMOSSA (R))

Por outro lado, os buracos negros supermassivos não têm esse problema da mesma maneira. Embora eles ainda tenham os mesmos horizontes de eventos que suas contrapartes de baixa massa – onde qualquer objeto que o atravesse nunca pode escapar – as forças de maré perto deles são muito, muito menores. Isso os torna o local ideal para procurar estrelas que são simultaneamente:

• movendo-se perto da velocidade da luz, onde os efeitos relativísticos (devidos à velocidade) são observáveis,
• e estão próximos de outra grande massa, onde os efeitos relativísticos (devidos à gravitação) são observáveis.

O buraco negro supermassivo mais próximo de nós é Sagitário A*: o buraco negro no centro da nossa Via Láctea, localizado a meros 26.000 anos-luz de distância. (O próximo mais próximo, no centro de Andrômeda, está a mais de 2 milhões de anos-luz de distância!) A partir de meados da década de 1990, os avanços nas ferramentas e técnicas de observação - particularmente em óptica adaptativa terrestre e instrumentação infravermelha - permitiram para ver através da poeira galáctica e resolver estrelas individuais que estão na região central da nossa galáxia. Não apenas isso, mas nós os fotografamos e rastreamos ao longo do tempo, revelando e reconstruindo suas órbitas.

Essa combinação de fatores nos deu um teste de campo forte sem precedentes da Relatividade Geral de Einstein. Quando você está a grandes distâncias de fontes de gravitação fraca e em velocidades baixas em comparação com a velocidade da luz, a gravitação de Newton e as leis do movimento de Newton são excelentes aproximações para as leis da física. Os efeitos da relatividade só se revelam a pequenas distâncias de fontes fortemente gravitacionais e em grandes velocidades em comparação com a velocidade da luz, o que nos permite não apenas testar as teorias de Einstein, mas buscar evidências de onde a relatividade pode quebrar e ser substituída por um novo , até então desconhecida teoria da gravidade.

As estrelas mais próximas que já encontramos do buraco negro central da Via Láctea são:

• altamente excêntrico (onde eles chegam muito perto do buraco negro e depois muito longe dele),
• levar apenas cerca de 10 a 20 anos para completar uma órbita (mais ou menos o tempo que Júpiter leva para orbitar o Sol),
• chegar a apenas cerca de 20 bilhões de quilômetros do horizonte de eventos (cerca de 120 vezes a distância Terra-Sol),
• e atingir velocidades máximas de alguns por cento da velocidade da luz.

Devido aos efeitos de sua alta velocidade (Relatividade Especial) e da curvatura do espaço (Relatividade Geral), uma estrela que passa perto de um buraco negro deve sofrer uma série de efeitos importantes, que se traduzirão em observáveis ​​físicos como o desvio para o vermelho de seu luz e uma ligeira mas significativa alteração da sua órbita elíptica. A aproximação de S0-2 em maio de 2018 foi a melhor chance que tivemos para examinar esses efeitos relativísticos e examinar as previsões de Einstein. (ESO/M. KORMESSER)

Em 2018, a estrela conhecida como S2 - uma das primeiras estrelas já descobertas tão perto do centro galáctico - fez uma passagem extremamente próxima ao nosso buraco negro supermassivo, atingindo 2,7% da velocidade da luz e realizando o teste de campo mais forte da Relatividade Geral até hoje. Para surpresa de ninguém, duas equipes independentes analisaram o passe próximo , e ambos o grupo ghez e a colaboração GRAVITY descobriu que os resultados mostraram que a gravidade newtoniana estava errada, confirmou a relatividade de Einstein e descartou quaisquer alternativas que diferissem substancialmente da teoria de Einstein.

Mas deve haver muito mais estrelas que são mais fracas que S2, e muitas delas devem se aproximar do buraco negro central da nossa galáxia, mover-se mais rápido e ver a posição de seu precesso de aproximação mais próxima mais rapidamente do que S2. Em suma, eles devem fornecer um teste de relatividade melhor, mais restritivo e mais fundamental do que nunca. Além disso, eles devem orbitar mais rapidamente, em escalas de tempo inferiores a uma década. Queremos testar a relatividade com mais precisão do que nunca, e esta é uma abordagem para fazê-lo.

Quando uma estrela se aproxima e atinge o periapsis de sua órbita em torno de um buraco negro supermassivo, seu desvio gravitacional para o vermelho e sua velocidade aumentam. Além disso, os efeitos puramente relativísticos da precessão orbital devem afetar o movimento desta estrela em torno do centro galáctico. Ambos os efeitos, se medidos de forma robusta, confirmariam/validariam ou refutariam/falsificariam a Relatividade Geral neste novo regime observacional. (NICOLE R. FULLER, NSF)

Em 11 de agosto, os astrônomos que procuravam exatamente esses tipos de estrelas publicaram um Telegrama do astrônomo , anunciando a descoberta de um conjunto de novas estrelas no aglomerado central da nossa galáxia. Em particular, duas dessas estrelas acabaram de quebrar todos os recordes anteriores de quão bem elas nos permitirão testar a relatividade de Einstein: S4711 e S4714. As coisas importantes a saber são as seguintes:

• Tanto o S4711 quanto o S4714 são fracos, em torno da magnitude 18, mas podem ser vistos com os modernos telescópios infravermelhos de hoje.
• Cada um tem cerca de duas vezes a massa do Sol, e ambos têm órbitas elípticas altamente excêntricas.
• Ambos orbitam rapidamente: S4711 completa uma revolução em torno do centro galáctico a cada 7,6 anos, o período mais curto já descoberto, enquanto S4714 faz uma revolução a cada 12,0 anos.

Mesmo que as incertezas sejam grandes, a estrela S4714

• se aproxima do buraco negro central (a apenas 1,9 bilhão de quilômetros dele),
• tem a maior velocidade máxima (8% da velocidade da luz),
• e experimenta a maior precessão prevista (ambas as precessões de Schwarzschild e Lense-Thirring)

de qualquer estrela já medida.

As estrelas conhecidas que fazem a maior aproximação do centro galáctico, com cinco estrelas recém-descobertas, incluindo a de menor período orbital (S4711) e a maior aproximação e velocidade em relação ao nosso buraco negro central (S4714), mostradas em vermelho . (FLORIAN PEISSKER ET AL., APJ, 899:50 (2020))

Esta nova descoberta leva a duas consequências emocionantes. A primeira – e mais imediata – é que essa estrela extrema, a que se move mais rápido e passa mais perto do buraco negro supermassivo de nossa galáxia, nos fornecerá o teste mais forte já realizado da Relatividade Geral de Einstein. Com um período orbital de 12 anos, a próxima vez que fizer sua aproximação mais próxima de Sagitário A* será em 2029, quando poderemos atingi-lo com telescópios de próxima geração, como o Telescópio Gigante de Magalhães ou o Telescópio Extremamente Grande Europeu . Com essa nova estrela e esses novos observatórios, teremos a maior oportunidade que já tivemos de procurar brechas na maior conquista científica de Einstein.

Mas a segunda consequência é que isso verifica e valida uma série de previsões teóricas de populações estelares que deveriam existir, mas nunca haviam sido descobertas até agora. Essas previsões indicam ainda que deve haver um grande número de estrelas ainda mais fracas que devem se aproximar ainda mais do nosso buraco negro central, e que esses telescópios de próxima geração devem revelá-las para nós. Na próxima década, poderemos testar nossa teoria da gravidade como nunca antes. Se a teoria de Einstein não corresponder às nossas observações, pode ser o início da maior revolução científica que a física já viu.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. 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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