No ano passado, finalmente fotografamos um buraco negro. O que agora?

Os telescópios em órbita podem nos ajudar a imaginar buracos negros como nunca antes.

O pastor Doleman levou quase dez anos para realizar o impossível. Como diretor do Event Horizon Telescope (EHT), um projeto que envolve uma comunidade internacional de centenas de pesquisadores, ele viajou por anos em malas cheias de discos rígidos ao redor do mundo para coordenar observações entre radiotelescópios em quatro continentes, incluindo a Antártica. Em 9 de abril de 2019, a cooperação finalmente trouxe os frutos de seu trabalho, e o mundo olhou para a primeira imagem de um buraco negro .

O feito, que James Bardin, teórico pioneiro do buraco negro, chamou de sem esperança em 1973, foi uma conquista notável da tecnologia astronômica. Mas assim que o processamento dos dados foi concluído e o champanhe foi derramado, a colaboração da EHT, em certo sentido, tornou-se como um cachorro que pegou um carro. "Todo mundo ficou surpreso ao receber uma foto tão boa tão rápido", diz Andrew Strominger, físico teórico da Universidade de Harvard. “Shepard e Michael [Johnson, astrofísico de Harvard-Smithsonian e coordenador da EHT], me perguntaram sobre isso. “O que devemos fazer com isso? Tiramos uma foto e agora o que?

Agora Strominger e uma equipe interdisciplinar de pesquisadores, incluindo teóricos, experimentadores e um filósofo, retornaram com a resposta selvagem que apareceu na semana passada no Science Advances. Com acesso a um telescópio bastante remoto, a colaboração do EHT poderia distinguir várias reflexões de luz que fluem em torno de um buraco negro. Ao analisar os padrões exatos desses raios emaranhados, os astrônomos poderiam medir diretamente as propriedades básicas dos buracos negros e testar a teoria da gravidade de Einstein como nunca antes. Na verdade, eles esperam que os buracos negros se tornem mais como estrelas e planetas: não apenas objetos para o pensamento, mas para observação direta.

"Esses são objetos que para mim eram apenas equações que tentei visualizar matematicamente em minha mente", diz Alex Lupsaska , um teórico de Harvard que trabalhou em pesquisas. "Mas agora temos as fotos reais deles."

A equipe realizou os cálculos usando lápis e papel, com base na teoria da relatividade de Einstein e simulação de resolução sem precedentes, para analisar o que os buracos negros fazem com a luz. Atenção spoiler!: Algo estranho aconteceu. "Buracos negros, eles são os melhores em tudo o que fazem", diz Lupsaska. E isso inclui dobrar os raios de luz em loops.

Como os objetos mais densos que seguem as leis da física, os buracos negros têm uma tremenda atração cósmica, e os físicos há muito sabem que o abismo está escondido nos envelopes da luz. Onde a Terra pode atrair o paralelepípedo cósmico que passa - puxando-o para várias órbitas antes de voltar ao espaço - os buracos negros podem capturar partículas de luz reais. Tudo o que colide com um buraco negro fica preso para sempre, mas os fótons que deslizam ao longo da fronteira podem fazer várias revoluções ao redor do buraco negro. "Esta é a natureza distorcida e" gritadora "do espaço-tempo", diz Lupsaska.

Strominger, Lupsaska e seus colegas calcularam com precisão a estrutura específica do envelope de luz e como ficaria ao observá-lo da Terra.

Aqui está como isso funciona. Quando os raios de luz se aproximam de um buraco negro, sua gravidade aterradora os leva à órbita. Os raios que passam a uma certa distância fazem meia volta em torno de um buraco negro antes de irem para o espaço. Os raios que se aproximam um pouco mais podem fazer um círculo completo antes de retornar de onde vieram. Os raios que se aproximam ainda podem fazer uma e duas voltas, as outras duas e assim por diante. Cada um desses grupos intermináveis ​​de raios de luz pode formar uma imagem (quando atingem a câmera ou o globo ocular), de modo que um buraco negro pode criar um número infinito dessas imagens. Strominger compara esse efeito estranho com a forma como você ficaria entre dois espelhos em uma loja de departamentos e ver como suas reflexões se estendem mais lá.

"Em um mundo ideal, com um telescópio perfeito, você olha para um buraco negro e vê não apenas um número infinito de imagens embutidas em outras, mas todo o universo", diz ele.

Mas o EHT, como todos os telescópios, não é perfeito. Isso nem é um telescópio, mas um interferômetro técnico. Os interferômetros funcionam comparando observações de um ponto distante de dois lugares diferentes. Quanto mais afastados os lugares, mais sutis as características do objeto que eles podem capturar. À medida que os reflexos sucessivos dos buracos negros (que podem parecer anéis para um observador) estão se tornando cada vez mais finos, os astrônomos precisam usar observatórios mais distantes para vê-los.

Para detectar anéis refletivos, o EHT precisará ir ainda mais longe. No final, os autores do estudo concluem que a colaboração deve adicionar um observatório espacial à sua rede. Apenas um tem que fazer isso. Um satélite que orbita a Terra pode identificar claramente o primeiro anel ou um veículo que orbita a lua pode ver o segundo. Se eles pudessem levar a espaçonave para o local entre a Terra e o Sol, conhecido como o segundo ponto de Lagrange (o destino do futuro Telescópio Espacial James Webb), eles poderiam identificar os três primeiros anéis. Tal missão pode custar centenas de milhões de dólares - caro, mas não tão caro quanto os maiores projetos científicos. "Isso é algo que algum dia alguém fará", diz Lupsaska. "É questão de tempo."

Com essa pilha de dinheiro, os astrofísicos comprarão muito conhecimento sobre o buraco negro. A observação dos anéis serviria imediatamente como o primeiro teste da teoria geral da relatividade em um meio com gravidade suficientemente forte para dobrar os raios de luz em loops completos. O estreitamento dos anéis é muito preciso, portanto, qualquer desvio indicará que algo estranho está acontecendo. "Não há espaço para manobras", diz Lupsaska. "Você vai lá e faz uma medição, e ela se encaixa na teoria ou não."

Um pequeno número de teóricos espera a destruição da teoria mais bem-sucedida de Einstein. Em vez disso, estão mais empolgados que os anéis possam provar a existência de dois buracos negros próximos o suficiente para receber a imagem dessa maneira. Os astrônomos têm várias maneiras de medir as propriedades básicas de um buraco negro, como sua massa e rotação, mas precisam fazer muitas suposições para investigar isso. O padrão dos anéis depende apenas de um buraco negro - que não tem nada a ver com plasma luminoso e detritos próximos -, de modo que essas observações poderiam fornecer aos físicos uma maneira mais clara de responder às perguntas mais básicas sobre esses objetos misteriosos.

E essa análise é apenas o começo. Depois que o trabalho foi apresentado no último verão (em antecipação a uma avaliação de especialistas), causou uma onda de pesquisas subsequentes, pois os físicos estavam com pressa de desenvolver essa teoria. "É enfatizado que existem muitos detalhes interessantes que ainda não exploramos, e eles nos inspiraram a possíveis novos estudos", diz Elizabeth Himwich , uma estudante de Harvard que analisou como o tipo de luz alterna de um anel para outro .

Lupsaska compara os esforços a serem feitos nos estágios iniciais pelo exemplo da biologia. “Antes que você queira entender como organizar o DNA e usar repetições palindrômicas curtas do cluster para copiar e editar o DNA, primeiro vá à floresta e especifique:“ Esta é uma árvore, isso é uma flor ”, diz ele. "É aqui que estamos no campo da física no estudo dos buracos negros como uma ciência experimental".