gov-civil-vilareal.ptPerscrutando o penhasco do infinito: a primeira imagem do horizonte de eventos de um buraco negro
>Pela primeira vez na história da humanidade, os astrônomos combinaram o poder dos telescópios de todo o nosso planeta para criar uma imagem que mostra o horizonte de eventos de um buraco negro.
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A matriz coletada é chamada o Event Horizon Telescope , e ao longo de quatro noites em abril de 2017, observou o buraco negro supermassivo no coração de M87 , uma galáxia elíptica no aglomerado de Virgem, a 55 milhões de anos-luz da Terra.
O que eles viram foi, bem, de cair o queixo:
A primeira imagem do horizonte de eventos de um buraco negro supermassivo. Isso mostra a silhueta de um buraco negro com uma massa 6,5 bilhões de vezes a do Sol, localizado no centro da galáxia M87 a 55 milhões de anos-luz de distância da Terra. Crédito: NSF
Quero ser muito cuidadoso aqui, pois essa imagem é um pouco mais complicada do que simplesmente um anel de luz com o buraco negro no centro, e a física por trás dele é bem forte.
Para ser claro, você não está realmente vendo o buraco negro em si. Esse buraco circular no centro do anel não é o buraco negro, mas sim um efeito de sua gravidade. Está sendo chamada de sombra do buraco negro, mas penso nela mais como um dispositivo de camuflagem: a gravidade está dobrando a luz do material ao seu redor, enviando-a em nossa direção, deixando uma lacuna onde está o próprio buraco negro. Talvez a melhor maneira de descrevê-lo seja como silhueta da gravidade do buraco negro.
Este vídeo deve dar uma ideia do efeito:
O que resta é uma região esférica no espaço onde nada pode sair. A superfície desta esfera, se você pensar dessa forma, é chamada de Horizonte de eventos (porque qualquer evento que aconteça dentro dele está além do seu horizonte e não pode ser visto). Mas apenas lado de fora nele, a gravidade é intensamente forte, mas não impossivelmente. Um fóton, uma partícula de luz, passando perto desse limite, mas ainda fora dele, terá seu caminho consideravelmente dobrado, mas posso fuga.
O tamanho do horizonte de eventos depende da massa do buraco negro. Se você fizer as contas - calculadas pela primeira vez por Einstein no início dos anos 1900 - você descobrirá que se você comprimir o Sol em um buraco negro, ele teria 6 quilômetros de diâmetro. Lembre-se, o Sol tem 1,4 milhão de km de diâmetro agora! Portanto, você precisa fazer objetos incrivelmente pequenos e densos para que se tornem buracos negros.
Agora pensamos que toda grande galáxia do Universo tem um buraco negro supermassivo em seu centro, com milhões ou até bilhões de vezes a massa do Sol. O via Láctea tem um que é mais de 4 milhões de vezes a massa do Sol, por exemplo.
M87 é um galáxia elíptica no coração do Aglomerado de Virgem, uma coleção de centenas de galáxias espalhadas pelo céu entre as constelações de Leão e Virgem. É uma galáxia enorme, brilhante o suficiente para ser vista usando apenas binóculos, embora esteja a 55 milhões de anos-luz de distância.
Também é um galáxia ativa : Ao contrário do buraco negro supermassivo da Via Láctea, o que fica no centro do M87 está devorando matéria ativamente. Material, principalmente gás e poeira, está caindo nele e, ao fazê-lo, forma um disco plano denominado disco de acreção que começa fora do horizonte de eventos e se estende por muitos bilhões de quilômetros. A velocidade em que gira depende de sua distância do horizonte de eventos; coisas muito próximas movem-se quase na velocidade da luz, enquanto coisas mais distantes são mais lentas.
Os componentes básicos de um buraco negro ativo, incluindo o horizonte de eventos, disco de acreção e jato. Crédito: ISSO
Uma vez que o material está se esfregando, ele gera atrito e isso, por sua vez, gera calor. UMA muito de calor. Como um muito bastante. Imagine esfregar as mãos na velocidade da luz! O material do disco é aquecido a milhões de graus e o material que brilha intensamente, emitindo grandes quantidades de luz.
Esse é o material que você vê na imagem do Event Horizon Telescope*. Isso fornece um brilho de fundo ao redor do buraco negro. Mas a gravidade do buraco negro o distorce, dobrando o caminho que a luz toma. Luz do material atrás o buraco negro é dobrado por aí para que possamos realmente ver! Quanto mais perto do buraco negro, mais ele se curva, até que, bem no contorno do horizonte de eventos visto da Terra, nenhuma luz pode ser vista. É por isso que essa parte parece escura.
O caminho da luz em torno de um buraco negro fica severamente distorcido pela gravidade. Neste diagrama, a Terra está à direita e a luz do material por trás do buraco negro é inclinada em nossa direção, deixando um buraco onde o próprio buraco negro está. Crédito: Nicolle R. Fuller / NSF
Mas espere! Tem mais!
Existe um efeito chamado irradiação relativística , causado pelo movimento incrivelmente rápido do material enquanto orbita fora do buraco negro. Se você segura uma lâmpada na sua frente, a luz se expande em uma esfera, em todas as direções, mas se essa lâmpada está se movendo perto da velocidade da luz, a luz que vemos emitida por ela parece ser emitida, como uma lanterna , direcionado para a direção em que está se movendo. Esse efeito bizarro significa que um objeto que se dirige para você perto da velocidade da luz parece mais brilhante, porque mais de sua luz está focada em você, e algo se afastando parece mais escuro, porque sua luz está focada longe de você.
Agora olhe novamente para a imagem do Event Horizon Telescope. Vê como a parte inferior do anel é mais brilhante do que a parte superior? Isso é devido ao raio relativístico! O material na parte inferior se dirige para nós, e mais brilhante do que o material na parte superior, que se dirige para longe de nós. Isso nos diz em qual direção o disco de acreção está girando. O próprio buraco negro também gira, no mesmo sentido que o disco, de modo que também nos diz que, do nosso ponto de vista, o buraco negro está girando no sentido horário.
Não vou mentir para você: quando olhei pela primeira vez para aquela imagem e percebi o que estava vendo, os cabelos da minha nuca se arrepiaram.
Os oito telescópios espalhados pela Terra que compõem o Event Horizon Telescope. Crédito: Universidade do Arizona / Dan Merrone
A tecnologia que permitiu aos astrônomos criar esta imagem é incrível. Eles usaram oito telescópios diferentes localizados ao redor do mundo - Arizona, Chile, México, Espanha, Havaí e Antártica - para observar o buraco negro do M87. Esses telescópios não veem luz óptica como nossos olhos, mas, em vez disso, são sensíveis à luz na faixa de comprimento de onda milimétrica, mais perto das ondas de rádio do que da luz óptica . Essas ondas milimétricas viajam à velocidade da luz (porque são leves) e alcançam os telescópios em momentos ligeiramente diferentes. Cada telescópio observa cuidadosamente essas ondas e, se você combinar essas informações, é como se você tivesse um telescópio virtual do tamanho do espaço entre os dois observatórios.
Isso é chamado interferometria . Quando você combina as ondas vistas em dois locais, elas interferem de forma construtiva e destrutiva uma na outra, criando franjas. É como quando você se agita em uma banheira; as cristas das ondas às vezes se juntam e respingam na banheira, enquanto as depressões se combinam para baixar o nível da água ao seu redor. Essas combinações de cristas e vales são as franjas. Em um arranjo de telescópio interferométrico, a informação em tudo o que pode ser invertida, trabalhada de trás para frente, para criar uma imagem da imagem que envia as ondas para você. É um trabalho extremamente complexo e mais fácil em comprimentos de onda mais longos, razão pela qual os telescópios de ondas milimétricas foram usados (a luz óptica tem muito, Muito de comprimento de onda mais curto e, portanto, a interferometria óptica é muito mais difícil).
Quando tudo está combinado, o Event Horizon Telescope atua como um único prato o tamanho do nosso planeta . É assim que ele pode ver qualquer detalhe no buraco negro do M87. Embora seja imenso, com 40 bilhões de quilômetros de diâmetro, está a 55 milhões de anos-luz de distância, então da Terra está a apenas quatro bilionésimos de um grau de tamanho!
A Lua no céu tem meio grau de largura, então esta imagem do buraco negro é equivalente para ver uma bola de gude na lua . Ou, mais precisamente, uma bola de gude preta com um elástico brilhante amarrado em volta dela.
Esta é uma conquista fenomenal, verdadeiramente uma nova era na astronomia. Há décadas vimos os efeitos dos buracos negros: material orbitando-os e ficando extremamente quente; feixes de matéria e energia disparando para longe deles enquanto o campo magnético ridiculamente forte no disco de acreção arranca o material e o arremessa para longe a uma velocidade tremenda; e até mesmo os efeitos do buraco negro supermassivo de nossa própria galáxia nas estrelas ao seu redor, observando em tempo real enquanto elas giram em torno dele em alta velocidade.
E nós nos aprofundamos na física dos buracos negros graças às equações elaboradas por mentes brilhantes ao longo de muitas décadas, aprendendo como eles distorcem o espaço e o tempo, o que acontece perto do horizonte de eventos, o que acontece fora dele e às vezes até descobrindo o que acontece dentro.
Mas esta é a primeira vez que vimos o horizonte de eventos de um buraco negro. E vai ficar melhor a partir daqui; mais telescópios serão adicionados para obter melhor resolução, diferentes comprimentos de onda verão extrairão mais informações do que estamos vendo e, ainda mais legal, mais buracos negros - incluindo o nosso no centro da Via Láctea - serão examinados dessa forma .
Os buracos negros são escuros, mas seu futuro é muito brilhante.
* Nota: O Event Horizon Telescope olhou para o buraco negro no centro de nossa galáxia também, mas é muito mais difícil criar uma imagem dele devido à sua variável, mudando seu brilho em uma escala de horas e dias. O buraco negro do M87 é mais estável, então mais fácil de visualizar. Por um capricho da geometria, é cerca de 1.600 vezes maior que nosso buraco negro, mas cerca de 2.000 vezes mais distante, então parece quase do mesmo tamanho que o nosso da Terra.
