Cálculo descreve com precisão como buracos negros refletem o universo

Por Daniele Cavalcante | Editado por Patrícia Gnipper | 14 de Julho de 2021 às 14h30
Salvatore Orlando/Sketchfab

Os buracos negros são capazes de “engolir” até mesmo a luz, mas nem todos os fótons (partículas mediadoras da radiação luminosa) que se aproximam caem no chamado horizonte de eventos. Alguns deles ficam “presos” na órbita do buraco negro, formando algo conhecido como anel de fótons. Isso proporciona uma série de efeitos legais, como lentes gravitacionais, e um novo estudo calculou como exatamente isso ocorre.

Um anel de fótons equivale a uma vez e meia o raio de Schwarzschild do buraco negro. Esse raio, por sua vez, é a extensão do horizonte de eventos que haveria em qualquer objeto que tivesse sua massa concentrada em um único ponto — exatamente como ocorre em um buraco negro. Ou seja, um buraco negro é menor que o raio de Schwarzschild, e ao redor desse raio, fora do horizonte de eventos, os fótons orbitam formando um círculo.

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A equação que descreve o anel de fótons implica que ele só pode existir no espaço que circunda um objeto extremamente compacto, como uma estrela de nêutrons, ou o próprio buraco negro. Quando isso acontece, um fenômeno muito curioso acontece: lentes gravitacionais. Isso significa que os fótons de objetos luminosos atrás do buraco negro serão capturados pelo anel antes de caírem no horizonte de eventos ou escaparem para chegar a um observador, por exemplo.

(Imagem: Reprodução/NASA’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman)

Se esse observador se aproximar (mantendo uma distância segura para não ser capturado pela incrível gravidade do buraco negro), ele verá o anel de fótons, e nesse anel haverá um reflexo distorcido dos objetos luminosos atrás do buraco negro. Essa imagem também pode ser ampliada e multiplicada várias vezes, o que pode ser útil para a astronomia. Muitos objetos no universo, como galáxias, produzem o mesmo efeito de lente gravitacional, permitindo um estudo dos objetos que existem atrás delas, mas nos buracos negros isso poderia ser ainda mais incrível.

Quanto mais perto do buraco negro o observador estiver, mais reflexos dos objetos distantes ele verá multiplicados no anel de fótons. Mas para ir de uma imagem à próxima, ele precisaria ficar 500 vezes mais próximo da borda óptica do buraco negro, mas o que se torna um problema não só por limitações óbvias, como também para calcular a matemática por trás desse mecanismo. Por isso, o autor de um novo estudo usou um conjunto de equações para descrever com precisão os reflexos do universo que aparecem nessa luz distorcida em torno de buracos negros.

O autor é Albert Sneppen, do Instituto Niels Bohr na Dinamarca, e seu trabalho mostrou que a proximidade exigida para obter cada novo reflexo depende do ângulo de observação em relação ao buraco negro e da taxa de rotação do buraco negro. A abordagem de Sneppen foi reformular a trajetória da luz e quantificar sua estabilidade linear, usando equações diferenciais de segunda ordem — ou seja, equações com uma função e uma ou mais de suas derivadas.

Ele descobriu que seus resultados não apenas descrevem matematicamente o motivo das imagens se repetirem a distâncias 500 vezes mais próximas, mas também percebeu que isso poderia funcionar para um buraco negro em rotação. É que, muitas vezes, físicos teóricos usam modelos mais simples de buracos negros que não consideram algumas propriedades, como é o caso do modelo de Schwarzschild, que não considera rotação. Mas os buracos negros astrofísicos reais possuem spin (que nesse caso pode ser interpretado como velocidade de rotação). O cálculo de Sneppen mostra que a distância para ver uma repetição do reflexo no anel de fótons depende justamente do spin.

De acordo com o pesquisador, quando o buraco negro gira muito rápido, “você não precisa mais se aproximar do buraco negro por um fator de 500, mas significativamente menos. Na verdade, cada imagem está agora apenas 50, ou cinco, ou até duas vezes mais perto da borda do buraco negro". Essa é a primeira vez que um cálculo matemático demonstra o fenômeno com precisão, mas será preciso conferir se isso condiz com a realidade.

Infelizmente, ainda é difícil observar o efeito dos anéis de fótons em buracos negros, por limitação tecnológica de nossa parte. A primeira e única imagem de um buraco negro que conseguimos não tem resolução o suficiente para mostrar o anel, mas talvez um dia os cientistas poderão capturar as imagens infinitas próximas a um buraco negro. O interesse em realizar essa façanha é grande, não só para estudar os objetos que estão refletidos nos anéis de fótons, como também para confirmar as teorias e entender melhor a física dos buracos negros em si.

Fonte: ScienceAlert

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