Os ganhadores do prêmio Nobel de Física de 2020

Já faz um mês que o prêmio Nobel de Física deste ano foi revelado, com foco especial em pesquisas sobre buracos negros. Como diz o ditado, “antes tarde do que nunca”, e finalmente trazemos aqui nosso pitaco sobre essa premiação. O prêmio deste ano foi dividido em dois: metade foi para o trabalho teórico do físico e matemático Roger Penrose, enquanto a outra metade foi dividida pelos astrônomos observacionais Andrea Ghez e Reinhard Genzel. Vamos dar uma olhada com maior cuidado sobre os trabalhos de cada um?

Roger Penrose: previsão que buracos negros podem existir

Roger Penrose, inglês nascido em Colchester, na Inglaterra, não tem formação em física, mas sim em matemática. Doutor pela St. John’s College em Cambridge, o hoje professor emérito da Universidade de Oxford já ganhou vários prêmios na área de matemática e física, incluindo o Prêmio Wolf de Física. Seus trabalhos de destaque iniciais foram na área da matemática, entre eles o triângulo de Penrose (uma ilusão de ótica conhecida como objeto impossível) e o mosaico de Penrose (um tipo de mosaico não-periódico).

Figura 1: Roger Penrose no Instituto de Física da Universidade Texas A&M, com o piso baseado no mosaico de Penrose.
Figura 2: Colapso gravitacional de uma estrela massiva, criando a singularidade de um buraco negro. Figura 1 do artigo Gravitational Collapse and Space-Time Singularities, Penrose 1965.

Mas o Nobel foi mesmo para sua contribuição na pesquisa em buracos negros. Antes dele, Einstein havia descoberto a relatividade geral, no início dos anos 1900s. Nela, o tempo e o espaço se comportam em conjunto, criando o que chamamos de espaço-tempo. Costumamos usar a analogia de um lençol esticado para ilustrar o que seria o espaço-tempo, em que os objetos (planetas, estrelas, galáxias, etc.) estão colocados sobre esse lençol, causando uma depressão nele, o que representa o efeito da gravidade no espaço-tempo. Se o objeto for massivo o suficiente, esse lençol acaba “furando”, e um buraco negro é criado no espaço-tempo.

Em 1963, astrônomos começavam a observar uma nova classe de objetos, os quasares. Sua altíssima luminosidade era de difícil explicação pelos astrônomos da época, que começavam a suspeitar que o fenômeno poderia ter origem em buracos negros. Penrose se interessou pelo tema, mudando de área para a astrofísica. Em 1965, publicou o artigo “Gravitational Collapse and Space-Time Singularities” (algo como “Colapso Gravitacional e Singularidades no Espaço-Tempo” em português). Nele, ele demonstra que estrelas de massa maior que um determinado limite devem, com certeza, resultar em um colapso gravitacional, gerando um buraco negro (Fig. 2). A partir desse resultado e das ferramentas matemáticas criadas por Penrose para descrever o espaço-tempo outras descobertas envolvendo evolução estelar e cosmologia se seguiram, revolucionando muito do conhecimento em astrofísica da época.

Andrea Ghez: o poder da tecnologia moderna

Nascida em Nova York, Andrea Ghez se tornou doutora em astrofísica pela Caltech em 92, para logo depois seguir para a Universidade da California em Los Angeles (UCLA) para liderar o grupo de estudos no centro galáctico. Com a disponibilidade dos telescópios Keck, os maiores na época, com 10 metros de abertura cada, Ghez focou sua pesquisa no centro da Via Láctea. Desde a década de 1970, astrônomos estudavam o centro da nossa galáxia com bastante interesse, já que é origem de uma intensa compacta emissão em rádio. Andrea liderou um estudo em 1998 que demonstrava evidencias de que o centro galáctico, também conhecido como Sagitário A*, poderia hospedar um buraco negro supermassivo, assim como conhecíamos em outras galáxias, como em quasares distantes.

Figura 3: Andrea Ghez no pátio central do centro do observatório Keck, no Havaí.
Figura 4: Comparação de imagens com e sem óptica adaptativa utilizando os telescópios Keck. Crédito: Keck Observatory / UCLA Galactic Center Group

Utilizando a alta resolução espacial (~1/20 de segundo de arco) que os telescópios Keck podem produzir com a utilização de óptica adaptativa (veja a Fig. 4 para um exemplo do efeito em observações), Andrea observou o movimento próprio de estrelas muito próximas de Sagitário A*. Fazendo um censo dessas estrelas entre os anos de 1995 e 1997, o grupo liderado por Andrea percebeu que as estrelas se aglomeravam ao redor de Sagitário A* com velocidades surpreendentemente altas, com a mais veloz chegando a 0,5% da velocidade da luz. Utilizando a terceira lei de Kepler, o time encontrou que as estrelas orbitavam um objeto de massa da ordem de 106 massas solares em uma região menor que 0,015 parsecs. O único objeto que satisfaz essas características é um buraco negro!

Nos anos seguintes Andrea e seu grupo continuaram a monitorar o centro galáctico e em especial uma estrela chamada de S0-2. Essa estrela parecia ter órbita com período de alguns anos, o que tornaria possível acompanhá-la em sua viagem em escalas de tempo muito menores do que os astrônomos estão acostumados. O fato de poder medir os efeitos da relatividade geral em uma estrela próxima a tornou muito importante. Em 2018, ao fazer a passagem mais próxima de Sagitário A*, S0-2 mostrou os efeitos do redshift gravitacional predito pela relatividade geral. Por seu trabalho detalhado na obtenção de dados tão cruciais para a determinação de um buraco negro no centro da Via Láctea, Andrea Ghez recebe com mérito o Nobel desse ano. Mas como veremos logo abaixo, teve uma forte concorrência, e por isso ele é dividido com outro importante pesquisador da área.

Reinhard Genzel: no encalço de S2

Reinhard Genzel é alemão de Homburg vor der Höhe, e obteve seu doutorado pelo Instituto Max Planck de Rádioastronomia em 1978. Desde 1986 é diretor do Instituto Max Planck de Física Extraterrestre em Garching na Alemanha, onde lidera o grupo de estudos em infravermelho e submilímetro. Genzel começou a observar o centro galáctico praticamente ao mesmo tempo que Andrea, criando uma competição pelos resultados observacionais relacionados a Sagitário A*. Em 1996, com seu colaborador Andreas Eckart, publicaram um artigo detalhando observações feitas de estrelas próximas do centro galáctico, que se tornam visíveis apenas no infravermelho, já que a região central é densa em poeira e bloqueia muito da luz visível. Eles derivaram a massa do buraco negro central, de uma forma muito parecida à usada por Andrea Ghez, mas com valores um pouco diferentes.

Figura 5: Reinhard Genzel em seu escritório na Alemanha, na semana do anúncio do prêmio Nobel.
Figura 6: órbita de S2 ao redor de Sagitário A*, publicado pelo grupo de Genzel em 2018.

Genzel então focou seus estudos na mesma estrela que Andrea, S2 (chamada assim pelo grupo de Genzel, enquanto Andrea e seu time usam o nome S0-2). A meta era correr para obter parâmetros físicos como massa do buraco negro, velocidade das estrelas e período orbital com cada vez maior precisão. Os dados obtidos por Andrea no início da década de 90 eram de maior qualidade do que Genzel poderia obter com os telescópios do Observatório Europeu do Sul (ESO). Porém isso mudou com a construção do telescópio VLT (Very Large Telescope), que possibilita a interferometria de quatro telescópios de 8 metros, resultando em uma resolução espacial muito melhor do que se obtinha antes.

Desde então Genzel e seu grupo monitoram S2 com muita eficiência. A colaboração chamada de GRAVITY (nomeada depois do instrumento desenhado pelo grupo para atuar no VLT especializado em esse tipo de medida) se dedica em obter os dados mais precisos de S2 e das estrelas circundantes possíveis. O grupo também mediu os efeitos gravitacionais do pericentro de S2 em 2018 (publicado aqui no Astropontos, Fig. 6). Outro importante efeito medido pelo grupo foi a precessão da órbita de S2, resultante da relatividade geral (também discutido aqui no Astropontos). A corrida gerada pela busca de conhecimento de Genzel e Ghez foi merecidamente reconhecida com o prêmio Nobel, e inspira novos pesquisadores a alcançar ainda mais seguindo seus passos.

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