Entenda por que a imagem real do buraco negro é tão importante, mesmo "borrada"

Por Patrícia Gnipper | 12 de Abril de 2019 às 15h33
EHT

Para a comunidade científica e entusiastas da ciência, a revelação da primeira imagem real de um buraco negro foi recebida com louvor. Já para parte do público geral, o feito histórico da ciência moderna foi encarado com posts decepcionados nas redes sociais e muitos memes — tudo porque a foto "borrada" não se parecia com Gargantua, o buraco negro de Interestelar, tido como uma representação cientificamente fiel de como se esperaria que um buraco negro se parecesse.

Bom, antes de qualquer coisa, vamos explicar rapidamente o que é um buraco negro: são objetos extremamente massivos, cujo campo gravitacional é tão intenso que nada consegue escapar dali de dentro, nem mesmo a luz, uma vez que estiver na região chamada de horizonte de eventos — ao redor do "buraco". Sendo assim, acreditava-se que jamais seria possível fotografar um buraco negro (afinal, a luz não escapa dali para "viajar" pelo espaço até chegar a nós). Contudo, a equipe do Event Horizon Telescope (EHT) deu um jeitinho para fotografar o que estava acontecendo ao redor do buraco negro que fica no centro da galáxia M87, a 55 milhões de anos-luz da Terra.

A imagem levou dois anos para ser elaborada, pois o EHT conecta radiotelescópios de todo o mundo para criar um telescópio virtual gigantesco, do tamanho da Terra. Então os dados coletados em 2017 foram reunidos e depois compilados por um algoritmo, que gerou a imagem mostrando o real aspecto do buraco negro. Essa imagem, apesar de "borrada", é bastante próxima ao que os cientistas do EHT imaginavam, por sinal:

À esquerda, a imagem do buraco negro da M87. No centro, a simulação de como o buraco negro seria. À direita, a mesma simulação borrada digitalmente para corresponder à resolução do telescópio, mostrando que a imagem real registrada está totalmente de acordo com o esperado pelas simulações (Imagem: Akiyama et al (ApJL (2019))

Quanto à imagem hollywoodiana de Gargantua, Kazunori Akiyama, pesquisador do Observatório Haystack do MIT, que liderou a equipe responsável pela imagem do EHT, disse que "a imagem em Interestelar é quase correta". No filme, o buraco negro em questão tem uma fina faixa de matéria ao redor de seu centro, algo que não vemos na imagem do buraco negro da M87, mas isso é fácil de explicar: de acordo com os dados do EHT, a imagem que vemos do buraco negro mostra a região mais próxima de um de seus polos, então o buraco negro na foto real não está de frente para o nosso ponto de vista. Sendo assim, o disco de matéria ao seu redor teria sido obscurecido pelo ângulo de observação, de acordo com Akiyama. É mais ou menos como observar, muito de longe, Saturno de cima ou de baixo: você não veria os anéis cruzando o planeta.

Já com relação ao brilho observado ao redor do buraco negro da M87, que parece ter um formato mais brilhante ainda no canto inferior esquerdo, isso acontece porque o objeto está girando. O material orbitando o buraco negro também está girando, afetado pela gravidade do objeto, o que implica no espaço-tempo a seu redor. Isso significa que esses materiais, quando se movendo em nossa direção, parecem mais brilhantes na imagem, enquanto o material que se afasta do nosso ângulo de visão parece mais escuro.

No filme de Christopher Nolan, esse detalhe do brilho foi omitido, provavelmente porque "o olho humano não seria capaz de discernir as diferenças de brilho nos dois lados do buraco quando esse brilho geral é tão extremo", explicou Kip Thorne, físico da Caltech e consultor de Interestelar.

Por enquanto, uma imagem como esta de um buraco negro segue existindo apenas em produções de Hollywood

Astrofísicos explicam o que vemos na imagem do EHT

Sheperd Doeleman, líder do EHT, e Katie Mack, astrofísica da North Carolina State University, falaram sobre a imagem obtida e por que ela fez todo sentido. Começando pela parte mais escura da imagem, o centro do buraco negro, eles explicam que, ainda que os chamemos de "objetos", a verdade é que eles não os são exatamente. A mancha escura é uma sombra, uma "pia" espacial, e toda luz e matéria que "cair" ali é tirada para sempre da nossa visualização.

O horizonte de eventos de um buraco negro é como se fosse o topo de uma cachoeira: imagine um peixe nadando num rio em direção ao topo da cachoeira; após certa distância, a água corre tão rapidamente que o peixe não consegue escapar apenas tentando nadar na direção oposta. O peixe, no caso, é o raio de luz se aproximando do buraco negro, sem conseguir escapar e "caindo" ali. Então, ao olhar para um buraco negro, saiba que existe luz e existe matéria ali, mas nós jamais poderemos ver isso, pois a luz não consegue escapar assim que "cai" de uma vez por todas.

Agora, ao olhar ao redor do centro escuro da imagem, o que vemos na verdade é a órbita dos fótons, cujo diâmetro é cerca de 2,5 vezes maior do que o do horizonte de eventos. E o anel ao redor da órbita dos fótons é brilhante porque a matéria está sendo "rasgada" em pedaços, a temperaturas de bilhões de graus, enquanto tudo é devorado pelo buraco negro a velocidades extremas. Então, a luz que vemos ao redor do buraco negro, na verdade, está vindo de todos os lados, e não apenas das laterais do objeto, sendo que o espaço-tempo está tão distorcido que algumas das luzes acabam orbitando o buraco negro em formato circular. E essa imagem é extraordinária não somente por revelar oficialmente aos nossos olhos um buraco negro, como também porque "nos permite vez, pela primeira vez, a geometria do espaço-tempo", de acordo com Doeleman.

Por que fotografar usando radiotelescópios?

O EHT conecta radiotelescópios espalhados pelo mundo para criar um imenso telescópio virtual, convertendo dados para gerar imagens. E por que não usar telescópios visuais, seja os gigantes em Terra, seja os telescópios espaciais como o Hubble, por exemplo?

Bom, buracos negros não podem ser visualizados diretamente, pois, como sabido, nem mesmo a luz escapa dali de dentro. Mas os supermassivos lançam jatos brilhantes de partículas, e esses "monstros" são cercados por discos brilhantes de acreção (como é chamado o halo ao redor do horizonte de eventos), com esse brilho podendo ser visualizado com a tecnologia adequada.

Radiotelescópios só conseguem "ver" frequências de rádio no espectro. E "o material ao redor do buraco negro é transparente para ondas de rádio, então podemos ver [com esses aparelhos] através de todo o gás quente tentando atravessar o horizonte de eventos; caso contrário, tudo o que veríamos seria uma grande bolha" no espaço, explica Doeleman.

Os radiotelescópios usados pelo EHT para observar o buraco negro da M87 em 2017 (Imagem: NY Times)

Agora, é preciso considerar o tamanho do buraco negro fotografado que, apesar de ser enorme, visto a 55 milhões de anos-luz de distância ele ocupa apenas 42 microssegundos de arco de extensão no céu — algo menor do que uma laranja na superfície da Lua sob o ponto de vista da Terra. Apenas um telescópio com resolução e tecnologias sem precedentes (o que ainda não existe) seriam capaz de, diretamente, fotografar um objeto tão pequeno no nosso céu — o Hubble, por sinal, só consegue distinguir objetos com cerca de 50 mil microssegundos de arco, pois a resolução de um telescópio depende diretamente de seu diâmetro (quanto maior, mais clara a visão). Para obter uma imagem minimamente nítida de um buraco negro à distância da M87, seria preciso um telescópio do tamanho da Terra — e foi isso o que o EHT fez, virtualmente, conectando os radiotelescópios ao redor do mundo para trabalharem de maneira sincronizada como se fossem uma só estrutura.

Todas as informações coletadas pelo telescópio virtual do EHT foram somadas em nada menos do que 8 petabytes de dados em dois anos de trabalho. Tamanha quantidade de dados não poderia ser enviada para lá e para cá por meio da internet, e então os dados de cada observatório que compõem o EHT precisaram ser transportados em discos rígidos periodicamente entre um continente e outro — processo que, obviamente, não foi nada rápido.

Para reunir, comparar, gerenciar e analisar essa enorme quantidade de informações, o EHT usou um algoritmo desenvolvido por uma equipe encabeçada por Katie Bouman, engenheira do MIT responsável pela criação do sistema capaz de contabilizar todo o volume de dados obtido pelos telescópios, formando a imagem final. Quando três telescópios fazem a medição de um mesmo local do céu, interferências atmosféricas podem gerar ruídos, e o algoritmo então retira as imagens que estão muito diferentes umas das outras do lote; logo, quanto mais imagens há de uma mesma região, mais preciso o algoritmo fica sobre a perda de informações, gerando uma imagem final realista.

Katie Bouman com os discos contendo os 8 petabytes de dados colhidos pelos radiotelescópios ao redor do planeta (Foto: EHT)

Mas por que a imagem saiu "borrada"?

A 55 milhões de anos-luz, o buraco negro da M87 é gigantesco em sua totalidade (considerando todas as partes de sua estrutura, e não apenas o "buraco" central). Com massa de 6,5 bilhões de vezes a massa do Sol, seu horizonte de eventos mede quase 40 bilhões de quilômetros de diâmetro, sendo maior do que o Sistema Solar inteiro. Enquanto isso, a Terra tem apenas 12.742 km de diâmetro, e seriam necessárias pouco mais de 2,98 milhões de Terras enfileiradas lado a lado para cobrir todo o comprimento do buraco negro da M87.

E, bem, é preciso lembrar que quanto mais longe um objeto está de você, menor ele parecerá ser. A nossa Lua, por exemplo, tem 3.400 km de diâmetro e está a 384.400 km de distância da Terra, e por isso, quando a vemos no céu, podemos cobri-la completamente posicionando um dedo polegar à sua frente. O buraco negro da M87 está a 55 milhões de anos-luz daqui, e mesmo com suas dimensões gigantescas para os nossos padrões, esta foi uma observação extremamente difícil — por isso a necessidade de se conectar radiotelescópios posicionados ao redor de todo o planeta para somar esforços.

Comparação entre o buraco negro da M87 com nosso Sol, a órbita extremamente distante de Plutão e a distância em que a sonda Voyager 1 deve estar de nós enquanto viaja pelo espaço interestelar (Imagem: National Science Foundation)

O EHT sincronizou vários telescópios ao redor do mundo, em um esforço envolvendo 200 cientistas de 20 países, usando uma técnica que explora a rotação da Terra para formar o gigante telescópio virtual. A técnica, por sinal, permite que o EHT obtenha uma resolução angular de 20 microssegundos de arco, algo suficiente para ler um jornal aberto em Nova Iorque a partir de uma calçada de Paris. Ainda assim, o buraco negro da M87 está extremamente longe, e isso explica, em partes, a imagem "borrada".

Vamos lembrar que 1 ano-luz tem aproximadamente 9,5 trilhões de quilômetros, e o buraco negro em questão está a 55 milhões de anos-luz. Então, não, mesmo com as tecnologias de ponta da atualidade, ainda não registramos um buraco negro em uma imagem digna de Interestelar, mas o fato de que conseguimos tirar uma foto real de um buraco negro, enquanto há poucos anos essa ideia era tida como simplesmente impossível de acontecer, é um feito e tanto e precisa ser comemorado — e não ridicularizado em redes sociais porque a foto não é nítida como a imaginação popular gostaria que fosse.

A gigantesca galáxia Messier 87, ou M87, fotografada pelo Hubble. Em seu centro, está o buraco negro supermassivo e seu jato cósmico, resultado do fluxo de materiais alimentando o buraco negro em questão. O material gasoso se acumula ali, e a energia liberada pelo fenômeno produz esse fluxo de partículas subatômicas, que são aceleradas a velocidades próximas à da luz (Foto: NASA)

A imagem, por sinal, comprova que Albert Einstein estava certo mais uma vez, pois ela reforça a coerência da Teoria da Relatividade Geral. O físico previu, há 100 anos, tudo isso que estamos, agora, comprovando não somente em dados, como em imagens, de maneira sem precedentes na história da ciência. Fomos capazes de prever um objeto espacial misterioso e vê-lo em imagens em um período de 100 anos, apenas — e isso deve ser admirado.

Agora, as pessoas que estão criticando o "borrão" da foto do buraco negro o fazem porque pensam em "foto" da mesma maneira que pensam na fotografia digital, feita por câmeras fotográficas ou por smartphones. Mas simplesmente não seria possível fotografar um buraco negro tal qual se aponta um celular a uma árvore, apertando um botão para que a imagem saia pronta e nítida.

A fotografia real do buraco negro da M87 pode não ser tão grandiosa como a população geral esperava que fosse, com o imaginário popular visualizando buracos negros com base em concepções da ficção científica, mas, antes de ficar desapontado com o "borrão" da imagem, vamos lembrar que a tecnologia e a ciência avançam a passos cada vez mais largos. Se hoje temos uma imagem nítida e repleta de detalhes de Plutão, é porque imagens borradas e "sem graça" foram registradas no passado, com o avanço da tecnologia permitindo o registro de imagens cada vez mais detalhadas com o passar do tempo. E isso também deve acontecer com a observação de buracos negros — há 100 anos, eles eram apenas uma teoria; agora, temos uma primeira imagem "borrada". Um dia, talvez poderemos nos admirar com buracos negros observando imagens que, talvez, se assemelhem às de Gargantua em Interestelar.

Plutão fotografado em 1996 com o Hubble, ao lado de Plutão fotografado em 2015 com a New Horizons (Imagem: Mistérios do Espaço)

E, com mais imagens como esta primeira do EHT, poderemos entender melhor os buracos negros supermassivos que se encontram no centro de suas galáxias — como o Sagittarius A*, que está no coração da nossa Via Láctea. A equipe do EHT, por sinal, também vem observando o Sagittarius A* juntamente com o buraco negro da M87, e em breve pode ser que vejamos uma imagem real do buraco negro que fica em nossa galáxia, pois a equipe, apesar de ter se concentrado primeiro em estudar e compilar os dados do objeto da M87, não desistiu de fazer o mesmo com o nosso. E tais imagens não somente têm valor para a ciência no que diz respeito ao entendimento de buracos negros e do universo em geral, como também ajudarão a ficção científica a produzir visões ainda mais precisas de como esses objetos fantásticos realmente são.

Com informações de Gizmodo, Vox, New Republic, NY Times, Science News, Futurism

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