Novas imagens impressionantes do buraco negro supermassivo M87* são reveladas

Por Daniele Cavalcante | 15 de Abril de 2021 às 18h20
EHT Collaboration

Dependendo da quantidade de matéria para alimentá-los, os buracos negros supermassivos nos centros galácticos podem ser tranquilos ou extremamente ativos. No último caso, imensas quantidades de energia e plasma são ejetadas em velocidades próximas à da luz, mas os astrônomos ainda não sabem exatamente como isso acontece. Contudo, a primeira imagem real de um buraco negro pode ajudar a desvendar esse mistério.

Foi em abril de 2019 que o Event Horizon Telescope (EHT) revelou ao mundo a primeira e única imagem real de um buraco negro, mais precisamente o M87*, que fica no coração da galáxia Messier 87. Para obter essa imagem incrível, foi necessária a colaboração de muitos observatórios de rádio ou instalações de radiotelescópios ao redor do mundo, o que resulta em um telescópio virtual de alta sensibilidade e alta resolução angular.

A imagem não só forneceu a primeira evidência direta da existência de buracos negros, como também ajuda a comprovar as teorias de Albert Einstein descritas na sua publicação sobre a Relatividade Geral, de 1915. Agora, quase dois anos após a divulgação dessa foto histórica, os cientistas apresentam novas análises do M87*, usando técnicas diferentes para saber ainda mais sobre os buracos negros. São pesquisas que analisam os dados coletados pelo EHT em todos os comprimentos de ondas para que se possa compreender tudo o que acontece no centro da galáxia Messier 87.

Buraco negro em diferentes comprimentos de onda

Pesando 6,5 bilhões de vezes a massa do nosso Sol, o buraco negro supermassivo M87* está localizado a cerca de 55 milhões de anos-luz de distância da Terra. Trata-se de um monstro que consegue lançar os jatos de 6 mil anos-luz de comprimento e emitir campos magnéticos fortes o suficiente para direcionar e empurrar partículas de matéria circunvizinha em direção ao espaço interestelar. Através do conjunto de dados em diferentes ondas do espectro eletromagnético, é possível saber muito sobre esse processo.

(Imagem: Reprodução/GSFC/SVS/M.Subbarao/NASA/CXC/SAO/A.Jubett)

Quando analisamos um objeto apenas na luz visível, ou seja, nas cores que olhos humanos podem enxergar, perdemos muitos detalhes impostantes, como a radiação que este objeto pode emitir. Por isso, os astrônomos utilizam telescópios capazes de “ver” não apenas em luz visível, mas também em infravermelho, ultravioleta, raios-X, rádio, micro-ondas e raios gama. Esses são os comprimentos de onda que a luz pode emitir através dos fótons, e objetos podem refletir quando essa luz incide sobre eles — exceto os buracos negros, pois eles não podem refletir luz alguma, já e a luz não pode escapar deles.

Os jatos do M87* são formados por matéria atraída pelo buraco negro, mas não engolida por ele. Essa matéria forma um disco quente que gira em alta velocidade ao redor do buraco negro, e parte dessas partículas é empurrada pelo campo magnético em direção ao espaço, formando os tais jatos. Eles produzem luz que abrangem todo o espectro eletromagnético, desde as maiores ondas (as de rádio) até as menores (os raios gama). A intensidade da luz neste espectro fornece um padrão diferente para cada buraco negro, como se fosse uma impressão digital.

Conhecer essa “impressão digital” dos buracos negros, ou seja, identificar o padrão da luz emitira por seus jatos, é muito útil para determinar propriedades de um buraco negro, como seu spin (uma medida relacionada à rotação e orientação do objeto) e produção de energia. O problema é que o padrão muda com o tempo. Para contornar essa limitação, os astrônomos coordenaram as observações de alguns dos telescópios mais poderosos do mundo — no solo e no espaço —, cada um especializado em diferentes comprimentos de onda.

De acordo com a NASA, essa é a maior campanha de observação simultânea já realizada em um buraco negro supermassivo com jatos até o momento. Entre os telescópios utilizado estão o Chandra, Hubble, o Neil Gehrels Swift, o NuSTAR e o Fermi. O resultado é uma série de imagens diferentes de um mesmo ponto no espaço, ou seja, cada telescópio revela uma assinatura diferente. O vídeo abaixo mostra dados em várias escalas, tanto de comprimentos de onda de luz quanto de tamanho físico.

A sequência começa com a já famosa imagem do buraco negro M87* divulgada pelo EHT e depois apresenta imagens de outros telescópios ao redor do globo, afastando-se no campo de visão durante cada etapa, ou seja, deixando o buraco negro em si cada vez mais distante. Isso nos dá uma noção de quão incrivelmente grande é o jato relativístico emitido pelo M87*. A escala para a largura de cada um dos quadrados é exibida em anos-luz no canto inferior direito.

Depois, a visão muda para telescópios que detectam luz visível (Hubble e Swift), luz ultravioleta (Swift) e raios-X (Chandra e NuSTAR). Então, a tela se divide para mostrar a diferença entre as imagens que mostram a mesma parte do céu, ao mesmo tempo, mas em diferentes comprimentos de onda. Este estudo é sem precedentes e já está levando diversos grupos de cientistas a compararem seus modelos teóricos com estas observações únicas, de acordo com Daryl Haggard, co-autor da pesquisa.

O que as imagens nos dizem?

Essas imagens são resultados de uma série de dados coletados por uma equipe de 760 cientistas de 32 países ou regiões diferentes, durante o final de março e meados de abril de 2017. Os resultados mostram que a intensidade da radiação eletromagnética produzida pelo material ao redor do buraco negro (o disco de acreção) foi a mais baixa já detectada. Isso é algo positivo, pois possibilitou melhores condições de estudar o buraco negro sem que a radiação atrapalhasse.

Desse modo, eles conseguiram observar desde as regiões próximas ao horizonte de eventos (a região escura, chamada de "ponto de não retorno", porque é de onde a luz não pode escapar) até dezenas de milhares de anos-luz, que é a distância que os jatos relativísticos percorrem. Os cientistas já planejam usar esses dados para melhorar os testes da Teoria da Relatividade Geral de Einstein, que enfrentam uma limitação porque pouco se sabe sobre o disco de acreção de um buraco negro e sobre as propriedades que determinam a luz emitida. Com esses dados, isso pode mudar drasticamente.

Outro aspecto interessante para se estudar através desse conjunto de dados é o comportamento e a produção de raios cósmicos que atingem a Terra. Os astrônomos estimam que os raios cósmicos de maior energia que chegam até nós podem vir de buracos negros como o M87*, e esses dados podem ajuda-los a compreender isso melhor. Por exemplo, ainda há muitas dúvidas sobre os locais precisos onde as partículas do disco de acreção são aceleradas. Espera-se que os dados de raios gama possam apontar o local onde os raios de maior energia são produzidos.

Luz polarizada

(Imagem: Reprodução/EHT/ALMA/ESO/NAOJ/NRAO/Goddi/NASA/ESA/VLBA/Kravchenko/JC Algaba/I. Martí-Vidal)

Há algumas semanas, a colaboração EHT publicou resultados de análises do buraco negro M87* utilizando outro método para obter mais informações sobre os jatos relativísticos: a luz polarizada. Eles produziram uma nova imagem que revela o jato visto no centro da galáxia, em luz com todas as suas ondas direcionadas à mesma direção. As linhas marcam a orientação da polarização, que está relacionada ao campo magnético existente nessa região.

Quando a luz passa por determinados filtros ou quando é emitida em regiões quentes do universo onde os campos magnéticos estão presentes, ela se torna polarizada. Ou seja, as ondas de luz vibram apenas em uma determinada direção, enquanto a onda de luz não polarizada vibra para todas as direções. Ao determinar a polarização da luz emitida pelo disco quente de acreção do buraco negro, os astrônomos podem mapear as linhas do campo magnético dessa região.

Essas novas imagens indicam como é a estrutura do campo magnético do jato relativístico e do próprio disco de acreção. Podemos pensar nisso como uma espécie de mapa magnético que revela informações valiosas como os jatos são produzidos. Esses campos magnéticos são os responsáveis por direcionar as partículas que escaparam da força de atração do buraco negro, empurrando-as e ajudando-as a resistir à atração da gravidade.

Funciona mais ou menos assim: a matéria existente perto do buraco negro (essencialmente gás e poeira) se aproxima e gira ao redor do horizonte de eventos em alta velocidade. À medida que se aproxima do "ponto de não retorno", essa matéria é superaquecida pelo atrito e se move perto da velocidade da luz, emitindo grandes quantidades de radiação (ondas eletromagnéticas). Eventualmente, boa parte dessa matéria vai cair no horizonte de eventos, mas o telescópio virtual do EHT foi projetado para detectá-las antes disso acontecer.

Para criar essas imagens, os cientistas precisaram de uma resolução "nítida o suficiente para focar em uma laranja na superfície da Lua, ou ser capaz de ver átomos individuais em seu próprio dedo", de acordo com o Dr. Ziri Youns, do EHT. Isso foi possível graças ao conjunto de vários telescópios unidos para formar um único telescópio virtual do tamanho do planeta Terra. Os resultados de ambos os estudos foram publicados no The Astrophysical Journal Letters.

Fonte: NASA, The Astrophisical Journal Letters (1, 2)

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