Fizemos a primeira foto de um buraco negro. E daí?

Título: First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole

Autores: The Event Horizon Telescope Collaboration

Status: Publicado no The Astrophysical Journal, acesso aberto

Sim, você já deve ter lido tudo sobre a primeira imagem de um buraco negro (Fig. 1). Mas caso você tenha passado os últimos dias em uma caverna, ou não tenha visto a avalanche de posts, aqui vai o que você precisa saber. Em 2017 uma colaboração científica com contribuições de dezenas de instituições espalhadas pelo mundo e mais de 200 pesquisadores foi formada com esse ambicioso objetivo: criar a primeira imagem de um buraco negro. O Event Horizon Telescope tem um nome auto-explicativo: como não podemos ver o buraco negro em si, porque, bem, ele é negro, a ideia é ver a próxima melhor coisa, o horizonte de eventos, limite do buraco negro onde nada escapa, nem mesmo a luz.

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Figura 1: A já histórica imagem do buraco negro supermassivo no centro da galáxia M87. O que vemos no centro é a sombra do buraco negro, e em volta a radiação, que tem origem no disco de acreção que o circunda, e que consegue escapar sua gravidade pois não entrou no horizonte de eventos. Créditos: Event Horizon Telescope.

Oito conjuntos de telescópios localizados no Chile, Havaí, Espanha, Antártida e México foram utilizados na empreitada (Fig. 2). Através da técnica de interferometria, eles juntos formam um telescópio virtual de tamanho comparável ao diâmetro da Terra. Ao observar a luz celeste em pontos diferentes da Terra, adicionado à sua rotação que faz com que cubra ainda mais regiões no espaço de Fourier, e combinar essa luz, o telescópio virtual pode criar uma imagem de altíssima precisão, com resolução espacial de 25 microssegundos de arco no céu. Seria como observar uma laranja no solo da Lua.

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Figura 2: Mapa do EHT. Em amarelo estão localizados os pontos utilizados nas observações em 2017, que foram mostradas no dia 10 de abril. Pontos em verde representam observatórios adicionados à colaboração a partir de 2018, enquanto pontos vermelhos representam observatórios que não fazem mais parte da colaboração. Fig. 2 do paper II.

Observando na faixa do milimétrico, em aproximadamente 1.3 milímetros, os telescópios observaram dois buracos negros supermassivos: Sagitário A* (já mencionado em outro post nosso), localizada no centro da nossa galáxia, a Via Láctea; e o da galáxia M87, situada a 55 milhões de anos-luz de nós. M87* é uma galáxia ativa, onde o seu buraco negro central acreta matéria através de um disco de acreção, e ejeta parte dessa matéria em um jato de partículas que também emitem em rádio. M87* foi observado entre os dias 5 e 11 de abril de 2017 simultaneamente em condições ideais de observação.

Mas muito do trabalho feito se concentrou na redução, análise e sincronização das observações entre os telescópios. A colaboração se dividiu em formar as imagens em grupos separados independentemente, para chegarem à imagens muito parecidas entre si, fortalecendo o resultado obtido. Cabe aqui a menção ao trabalho de Katie Bouman, que três anos antes havia desenvolvido o algoritmo utilizado para formar a imagem final (Fig 3). Mulheres na ciência!

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Figura 3: Momento em que Katie Bouman cria a primeira imagem do buraco negro de M87. Fonte: Facebook.

A imagem do buraco negro de M87, além de ser um feito por si só, nos conta muitas coisas. Primeiro, é mais uma confirmação da Teoria da Relatividade Geral de Einstein (já tá ficando chato isso aí, o rapaz não erra uma!). Isso porque o brilho visto ao redor do buraco negro é exatamente como se espera considerando a RG: a assimetria se deve ao fato da região mais brilhante sofrer o que chamamos de beaming relativístico. A luz, que vem do disco de acreção, é mais intensa na região que está se aproximando do observador (vindo em nossa direção), em detrimento à luz da região que se afasta de nós.

Ainda, através de modelos utilizando a RG, os autores puderam medir parâmetros físicos com uma precisão inédita (Fig. 4). A sombra tem escala comparável ao sistema solar, e a massa do buraco negro é de 6.5 bilhões de massas solares, resolvendo uma discrepância entre medidas utilizando gás (3.5 bi) e estrelas (6.2 bi).

 

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Figura 4: Simulações do anel em volta do buraco negro. Para diferentes parâmetros de spin do buraco negro (α) e magnetização do disco de acreção (Rhigh, painéis superiores) se obtêm imagens simuladas correspondentes (painéis inferiores). O resultado descrito pelos autores é de que o buraco negro gira no sentido dos ponteiros do relógio, assim como o disco circundante, e que a região mais brilhante se deve à matéria que se move em nossa direção. Fig. 4 do paper I.

Esse feito científico é brilhante em vários aspectos: é pioneiro, pois é a primeira imagem feita de um objeto tão importante para astrofísica; é uma demonstração de como colaboração científica é uma poderosa ferramenta para resolver questões fundamentais; é mais uma confirmação da Teoria da RG; é um avanço tecnológico e científico considerável.

Mas o que temos adiante? A curto prazo, devemos ter a publicação da imagem de Sagitário A*, o buraco negro no centro de nossa galáxia, que também foi observado. Novas antenas foram adicionadas a colaboração desde as imagens de M87, o que deve aumentar ainda mais a resolução da imagem. Comentários feitos pelos próprios membros da colaboração indica o desejo de aumentar o tamanho do telescópio virtual, e para isso teríamos que utilizar um telescópio espacial, o que ainda está no terreno da especulação.

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Figura 5: Coletiva de imprensa da National Science Foundation sobre a imagem obtida, uma das seis realizadas ao redor do mundo em 10 de abril. A tendência é que fotografias de buracos negros se tornem mais comuns no futuro.

Esse avanço é fundamental para sabermos mais sobre buracos negros, e o seu papel na evolução de galáxias. Como discutido em vários tópicos aqui do Astropontos, sabe-se que a retroalimentação em buracos negros centrais tem efeitos consideráveis na formação de estrelas das galáxias ao longo de sua vida. M87 é um claro exemplo disso, onde um jato de partículas relativísticas originadas no disco de acreção que circunda o buraco negro alcança distâncias comparáveis ao raio da própria galáxia (Fig. 6). O resultado é a injeção de energia através de choques do jato com o gás, aquecendo-o e inibindo nova formação estelar.

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Figura 6: M87 e o jato relativístico originado em seu buraco negro. Partículas ejetadas da região central interagem com o gás da própria galáxia, tendo papel determinante na evolução da galáxia. Créditos: Telescópio Espacial Hubble.

O que nos aguarda a partir daqui ainda não sabemos bem. Fotos de buracos negros devem se tornar mais comuns com a maior utilização de instrumentos como esses. O futuro da astronomia ainda guarda novas descobertas fantásticas, principalmente com a nova geração de telescópios gigantes que devem começar a operar na próxima década. O que nos resta é aguardar e admirar esses feitos.

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