• Começa Com Um Estrondo

Isto é o que sabemos sobre buracos negros antes da primeira imagem do Event Horizon Telescope

Uma ilustração do espaço-tempo fortemente curvado, fora do horizonte de eventos de um buraco negro. À medida que você se aproxima cada vez mais da localização da massa, o espaço se torna mais curvado, levando a um local de dentro do qual nem a luz pode escapar: o horizonte de eventos. O raio desse local é definido apenas pela massa do buraco negro, pela velocidade da luz e pelas leis da Relatividade Geral. (USUÁRIO DO PIXABAY JOHNSONMARTIN)

Nunca vimos uma imagem do horizonte de eventos de um buraco negro antes. Aqui está o que estamos esperando, com base no que já sabemos.

Por centenas de anos, os físicos levantaram a hipótese de que o Universo deveria conter buracos negros. Se matéria suficiente for reunida em um volume de espaço suficientemente pequeno, a atração gravitacional será tão forte que nada no Universo – nenhuma partícula, nenhuma antipartícula, nem mesmo a própria luz – poderá escapar. Eles são previstos pelas teorias da gravidade de Newton e Einstein, e os astrofísicos observaram muitos objetos candidatos que são consistentes com buracos negros e nenhuma outra explicação.

Mas nunca vimos o horizonte de eventos antes : a assinatura característica exclusiva dos buracos negros, da região escura onde nada pode escapar. Em 10 de abril de 2019, a colaboração do Event Horizon Telescope lançará sua primeira imagem de tal horizonte de eventos. Aqui está o que sabemos agora, às vésperas desta descoberta monumental.

O buraco negro no centro da Via Láctea, juntamente com o tamanho real e físico do Event Horizon retratado em branco. A extensão visual da escuridão parecerá ser 250–300% tão grande quanto o próprio horizonte de eventos. (UTE KRAUS, GRUPO DE EDUCAÇÃO FÍSICA KRAUS, UNIVERSIDADE DE HILDESHEIM; ANTECEDENTES: AXEL MELLINGER)

Os buracos negros são uma consequência inevitável, pelo menos em teoria, de ter um limite de velocidade em seu Universo. A teoria da Relatividade Geral de Einstein, que relaciona o tecido do espaço-tempo com a matéria e a energia presentes no Universo, também contém uma relação embutida entre como a matéria e a energia se movem através do espaço-tempo. Quanto maior o seu movimento no espaço, menor o seu movimento no tempo e vice-versa.

Mas há uma constante relacionando esse movimento: a velocidade da luz. Na Relatividade Geral, o tamanho físico do horizonte de eventos previsto – o tamanho da região da qual nada pode escapar – é definido pela massa do buraco negro e pela velocidade da luz. Se a velocidade da luz fosse mais rápida ou mais lenta, o tamanho previsto do horizonte de eventos diminuiria ou aumentaria, respectivamente. Se a luz se movesse infinitamente rápido, não haveria nenhum horizonte de eventos.

LIGO e Virgo descobriram uma nova população de buracos negros com massas maiores do que o que havia sido visto antes apenas com estudos de raios-X (roxo). Este gráfico mostra as massas de todas as dez fusões de buracos negros binários confiantes detectadas pelo LIGO/Virgo (azul), juntamente com a fusão de uma estrela de nêutrons-estrela de nêutrons vista (laranja). O LIGO/Virgo, com a atualização da sensibilidade, deve detectar várias fusões todas as semanas a partir de abril. (LIGO/VIRGO/NORTHWESTERN UNIV./FRANK ELAVSKY)

Astrofisicamente, os buracos negros são surpreendentemente fáceis de criar. Somente dentro de nossa galáxia Via Láctea, provavelmente existem centenas de milhões de buracos negros. Atualmente, acreditamos que existam três mecanismos capazes de formá-los, embora possa haver mais.

1. A morte de uma estrela massiva , onde o núcleo de uma estrela muito mais pesada que o nosso Sol, rica em elementos pesados, colapsa sob sua própria gravidade. Quando há pressão externa insuficiente para neutralizar a força gravitacional interna, o núcleo implode. A explosão de supernova resultante leva a um buraco negro central.

As fotos visíveis/próximas do IR do Hubble mostram uma estrela massiva, com cerca de 25 vezes a massa do Sol, que desapareceu, sem supernova ou outra explicação. O colapso direto é a única explicação razoável candidata. (NASA / ESA / C. Lover (OSU))

2. O colapso direto de uma grande quantidade de matéria , que pode surgir de uma estrela ou de uma nuvem de gás. Se houver matéria suficiente em um único local no espaço, ele pode gerar um buraco negro diretamente, sem uma supernova ou cataclismo semelhante para desencadear sua criação.

3. A colisão de duas estrelas de nêutrons , que são os objetos mais densos e massivos que não se tornam buracos negros. Adicione massa suficiente a um, seja por acreção ou (mais comumente) por fusões, e um buraco negro pode surgir.

Ilustração artística de duas estrelas de nêutrons em fusão. A grade ondulante do espaço-tempo representa as ondas gravitacionais emitidas pela colisão, enquanto os feixes estreitos são os jatos de raios gama que disparam apenas alguns segundos após as ondas gravitacionais (detectadas como uma explosão de raios gama pelos astrônomos). As consequências da fusão de estrelas de nêutrons observadas em 2017 apontam para a criação de um buraco negro. (NSF / LIGO / UNIVERSIDADE ESTADUAL DE SONOMA / A. SIMONNET)

Um pouco mais de 0,1% das estrelas que já se formaram no Universo acabarão se tornando buracos negros em uma dessas modas. Alguns desses buracos negros terão apenas algumas vezes a massa do nosso Sol; outros podem ser centenas ou mesmo milhares de vezes mais massivos.

Mas os mais massivos farão o que todos os objetos extremamente massivos fazem quando se movem através da coleção gravitacional de massas típicas de aglomerados de estrelas e galáxias: eles afundarão para o centro, através de o processo astronômico de segregação em massa . Quando várias massas se aglomeram em um poço de potencial gravitacional, as massas mais leves tendem a ganhar mais impulso e potencialmente serem ejetadas, enquanto as maiores perdem momento angular e se acumulam no centro. Lá, eles podem agregar matéria, fundir-se, crescer e, eventualmente, tornar-se os gigantes supermassivos que encontramos hoje nos centros das galáxias.

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)

Além disso, os buracos negros não existem isoladamente, mas no ambiente confuso do próprio espaço, que é preenchido com matéria de vários tipos. Quando a matéria se aproxima de um buraco negro, haverá forças de maré sobre ele. A parte de qualquer objeto que esteja mais perto do buraco negro experimenta uma força gravitacional maior do que a parte mais distante do buraco negro, enquanto as partes que se projetam em qualquer um dos lados sentirão um aperto em direção ao centro do objeto.

Tudo dito, isso resulta em um conjunto de forças de alongamento em uma direção e forças de compressão ao longo das direções perpendiculares, fazendo com que o objeto em queda se espalhe. O objeto será dilacerado em suas partículas constituintes. Devido a uma série de propriedades físicas e dinâmicas em jogo, isso fará com que a matéria se acumule ao redor do buraco negro em uma forma de disco: um disco de acreção.

Uma ilustração de um buraco negro ativo, que acumula matéria e acelera uma parte dela para fora em dois jatos perpendiculares, é um excelente descritor de como os quasares funcionam. A matéria que cai em um buraco negro, de qualquer variedade, será responsável pelo crescimento adicional em massa e tamanho do buraco negro. Apesar de todos os equívocos por aí, no entanto, não há ‘sugar’ de matéria externa. (MARK A. ALHO)

Essas partículas que compõem o disco são carregadas e se movem em órbita ao redor do buraco negro. Quando as partículas carregadas se movem, elas criam campos magnéticos e os campos magnéticos, por sua vez, aceleram as partículas carregadas. Isso deve resultar em uma série de fenômenos observáveis, incluindo:

• emitidos fótons de todo o espectro eletromagnético, particularmente no rádio,
• erupções que aparecem em energias mais altas (como nos raios X) decorrentes de quando a matéria cai no buraco negro,
• e jatos de matéria e antimatéria que são acelerados perpendicularmente ao próprio disco de acreção.

Todos esses fenômenos foram vistos para buracos negros de várias massas e orientações, dando ainda mais credibilidade à sua existência.

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)

Além disso, observamos os movimentos de estrelas individuais e remanescentes estelares em torno de candidatos a buracos negros, que parecem orbitar grandes massas que não têm explicações viáveis ​​além de serem buracos negros. No centro da Via Láctea, por exemplo, observamos dezenas de estrelas orbitando um objeto conhecido como Sagitário A*, que tem uma massa inferida de 4 milhões de sóis e emite explosões, ondas de rádio e mostra assinaturas de pósitrons (uma forma de antimatéria) sendo ejetado perpendicularmente ao plano galáctico.

Outros buracos negros mostram muitas das mesmas assinaturas, como o buraco negro ultramassivo no centro da galáxia M87, que se estima pesar 6,6 bilhões de massas solares.

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)

Finalmente, vimos uma série de outras assinaturas observacionais, como a detecção direta de ondas gravitacionais de buracos negros em inspiração e fusão, a criação de um buraco negro diretamente de eventos de colapso direto e fusões de estrelas de nêutrons, e a ativação de e de quasares, blazares e microquasares, que se acredita serem causados ​​por buracos negros de massas e orientações variadas.

Indo para a grande revelação do Event Horizon Telescope, temos todos os motivos para acreditar que os buracos negros existem, são consistentes com a Relatividade Geral e são cercados por matéria, que acelera e emite radiação que deveríamos ser capazes de detectar.

Impressão artística de um núcleo galáctico ativo. O buraco negro supermassivo no centro do disco de acreção envia um jato estreito de matéria de alta energia para o espaço, perpendicular ao disco. Um blazar a cerca de 4 bilhões de anos-luz de distância é a origem de muitos dos raios cósmicos e neutrinos de maior energia. Apenas matéria de fora do buraco negro pode sair do buraco negro; a matéria de dentro do horizonte de eventos nunca pode escapar. (DESY, LABORATÓRIO DE COMUNICAÇÃO CIENTÍFICA)

O grande avanço do Event Horizon Telescope será a capacidade de finalmente resolver o próprio horizonte de eventos. De dentro dessa região, nenhuma matéria deveria existir, e nenhuma radiação deveria ser emitida. Deve haver s efeitos sutis intrínsecos aos próprios buracos negros que são observáveis ​​com este telescópio, incluindo o fato de que a órbita circular estável mais interna deve ser cerca de três vezes o tamanho do próprio horizonte de eventos, e a radiação deve ser emitida ao redor do horizonte de eventos, devido à presença de matéria acelerada.

Há muitas perguntas que a primeira imagem direta do horizonte de eventos de um buraco negro deve estar pronta para responder, e você pode conferir o que podemos potencialmente aprender aqui . Mas o maior avanço é este: testará as previsões da Relatividade Geral de uma maneira totalmente nova. Se nossa compreensão da gravidade precisar ser revisada perto dos buracos negros, essa observação nos mostrará o caminho.

Dois dos possíveis modelos que podem ajustar com sucesso os dados do Event Horizon Telescope até agora, no 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 para 10 de abril de 2019. (R.-S. LU ET AL, APJ 859, 1)

Por centenas de anos, a humanidade esperava que os buracos negros existissem. Ao longo de todas as nossas vidas, coletamos todo um conjunto de evidências que apontam não apenas para sua existência, mas para um acordo fantástico entre suas propriedades teóricas esperadas e o que observamos. Mas talvez a previsão mais importante de todas – a existência e as propriedades do horizonte de eventos – nunca foi testada diretamente antes.

Com observações simultâneas em mãos de centenas de telescópios em todo o mundo, os cientistas terminaram de reconstruir uma imagem, com base em dados reais, do maior buraco negro visto da Terra: o monstro de 4 milhões de massa solar no centro da Via Láctea. O que veremos em 10 de abril confirmará ainda mais a Relatividade Geral ou nos fará repensar tudo o que acreditamos sobre a gravidade. Ansioso com antecipação, o mundo agora espera.

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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