Revelando o monstro da Via Láctea

Os astrônomos estão mais perto do que nunca de ver o misterioso buraco negro supermassivo de nossa galáxia.

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O instrumento GRAVITY no Very Large Telescope do European Southern Observatory descobriu novos detalhes sobre o buraco negro supermassivo central da Via Láctea. Esta ilustração visualiza alguns deles, principalmente novos aglomerados quentes de gás que orbitam o buraco negro a 30% da velocidade da luz. Crédito: ESO / Gravity Consortium / L. Calçada.

Por Lee Billings
Publicado na Scientific American

Bem a tempo do Halloween, os astrônomos deram a melhor visão de um monstro cósmico da vida real – Sagitário A*, um buraco negro supermassivo à espreita no centro da Via Láctea. Ou melhor, uma visão de aglomerados quentes de gás que o orbitam, oscilando à beira do esquecimento. Os resultados revelam novas propriedades anteriormente desconhecidas do maior buraco negro da nossa galáxia e apontam o caminho para uma compreensão mais profunda da gravidade.

Os buracos negros, assim como todos os monstros realmente aterrorizantes, dificilmente podem ser compreendidos, quanto mais vistos. Até mesmo Einstein duvidava de que existissem, apesar de sua teoria da relatividade geral predizer que eles deveriam existir. Eles são nós de gravitação apertados com tanta força que dentro deles o espaço-tempo se dissolve; sombras espectrais tão vorazes que devoram a própria luz. No entanto, eles podem ser vislumbrados indiretamente, como aparições no canto do olho. Mais espetacularmente, quando comem estrelas ou outros buracos negros, podem emitir ondas gravitacionais, ondulações no tecido da realidade que os cientistas detectaram diretamente pela primeira vez em 2016. Os cientistas também podem medir a massa do buraco negro através de aglomerados de estrelas que o orbitam – mostrando, por exemplo, que Sagitário A* de alguma forma engoliu o equivalente a quatro milhões de sóis (buracos negros em outras galáxias podem ser muito maiores, alterando a balança em bilhões de massas solares). E, ironicamente, embora os buracos negros não brilhem, o gás e a poeira que se acumulam em discos de acreção girando em torno de suas massas podem ser aquecidos a bilhões de graus, tornando-se centenas de vezes mais luminosas que uma estrela e, ocasionalmente, ejetando até mesmo respingos mais brilhantes de radiação. Quando eles vêm de buracos negros supermassivos, essas explosões podem moldar e talvez até mesmo esterilizar um hospedeiro galáctico – e esses buracos negros parecem estar no centro de cada grande galáxia. Por mais de 40 anos, os astrônomos estudaram com cautela essas evidências circunstanciais, como ossos e cinzas espalhadas no limiar do covil de um dragão.

Agora, uma equipe internacional de cientistas estudou o monstro da Via Láctea usando um instrumento chamado GRAVITY para combinar a luz infravermelha de quatro telescópios de oito metros no Very Large Telescope do European Southern Observatory, no Chile. Combinar a luz de múltiplos telescópios é uma técnica chamada interferometria, e pode aumentar drasticamente a sensibilidade e a precisão das observações astronômicas. Os resultados apareceram em 31 de outubro na Astronomy & Astrophysics. “Este é um grande avanço”, diz Reinhard Genzel, astrofísico do Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics e líder do grupo. “Observamos o centro galáctico usando quatro telescópios como um gigantesco telescópio único com um diâmetro efetivo de 130 metros para fazer imagens interferométricas cerca de mil vezes mais fracas do que o que foi feito antes”. Este não é o primeiro avanço do GRAVITY: em maio deste ano, a equipe mediu com sucesso a distorção relativista da luz de uma estrela, S2, durante a aproximação de Sagitário A* em sua órbita de 16 anos ao redor do monstruoso buraco negro.

Esta última descoberta se desenrolou durante e logo após essas mesmas observações de S2, quando os membros da equipe do GRAVITY, Oliver Pfuhl e Jason Dexter, ambos co-autores do estudo do Max Planck, notaram três explosões, ou “pontos quentes”, que emanaram do disco de acreção de Sagitário A* entre meados de maio e final de julho. Para apreciar o feito da equipe do GRAVITY, se imagine olhando para a Lua da Terra e enxergando uma moeda na superfície da Lua (Sagittarius A* – ou pelo menos a sua sombra) sobre uma bola de praia decorada com luzes de Natal (disco de acreção de Sagittarius A* e flares acompanhantes).

Acredita-se que esses pontos quentes sejam “tempestades magnéticas” que ocorrem quando campos magnéticos intensos formam filamentos que se separam e se reconectam, liberando grande quantidade de energia para aquecer o gás próximo dentro do disco de acreção de um buraco negro. Cada ponto quente é semelhante a uma lâmpada de 10 milhões de quilômetros de vida curta – depois de talvez uma hora, esfria e acaba no turbilhão turbulento. Isso tornaria o estudo deles extremamente desafiador – particularmente se suas emissões estivessem sendo deformadas e ocludidas por vários efeitos relativistas extremos previstos para surgirem nas proximidades de um buraco negro. Esses mesmos efeitos, por sua vez, poderiam ser estudados para colocar a teoria da gravidade de Einstein em testes cada vez mais rigorosos, potencialmente levando a uma nova física.

Tais explosões foram detectadas antes, mas pela primeira vez o GRAVITY permitiu que os astrônomos medissem com precisão as posições e movimentos das flares antes de se dissiparem, mostrando cada um se movendo a 30% da velocidade da luz em uma órbita de aproximadamente 45 minutos em torno de um objeto central invisível com a massa de quatro milhões de sóis. Os dados do GRAVITY também mediram a polarização de cada flare, que mudou de acordo com o movimento de cada ponto através dos poderosos campos magnéticos do disco, reforçando ainda mais a interpretação orbital. “Quando vimos o primeiro, tivemos que nos perguntar: ‘Isso é real ou não?’, Mas depois encontramos mais dois”, diz Pfuhl. “Todos mostraram a mesma rotação, a mesma orientação e a mesma escala, o que nos tranquilizou”.

Quando apresentou pela primeira vez os dados, Genzel inicialmente reagiu com choque. “Eu não conseguia acreditar nos meus olhos”, diz ele. “Ninguém acreditava que poderíamos fazer isso – nós realmente não achamos que poderíamos fazê-lo também – mas lá estava, esse belo movimento orbital”. Além de ter a sorte de pegar vários flares no ato, a equipe do GRAVITY também parece ter sido abençoada com um capricho da geometria – suas melhores estimativas das órbitas dos pontos quentes sugerem que o disco de acreção de Sagitário A* é coincidentemente orientado quase de frente para a Terra, permitindo que os astrônomos estudem seus pontos quentes em espiral muito parecido com meteorologistas que usam imagens de satélite para rastrear tempestades em um furacão. “É como ganhar na loteria, porque a probabilidade a priori de que ver algo parecido com isso é muito baixa”, diz Genzel. “Quase parece que alguém providenciou isso para nós; eu acho que o centro galáctico é um lugar para pessoas de sorte”.

Uma pessoa relativamente pouco surpreendida pelo resultado é Avi Loeb, astrofísico da Universidade de Harvard que não estava diretamente envolvido com os estudos do GRAVITY. Há mais de uma década, enquanto trabalhava com o então pós-doutorado Avery Broderick (agora no Perimeter Institute for Theoretical Physics no Canadá), Loeb desenvolveu modelos de pontos quentes ao redor de Sagitário A* e sugeriu métodos para observar seu movimento orbital. “Ver é acreditar”, diz ele. “Isso é totalmente consistente com o que esperávamos…. A maioria das pessoas com quem conversei sobre isso na época consideravam nosso modelo de ponto quente ingênuo, mas, surpreendentemente, a natureza provou ser mais gentil do que muitos de meus colegas”.

A mais importante sobreposição entre essas previsões e as observações do GRAVITY é que os pontos quentes de Sagitário A* parecem estar bem acima de um ponto de retorno não previsto há muito tempo – uma “órbita interna estável” para material na cúspide interna do disco de acreção. Além desse limite, qualquer objeto que passe precipitadamente através do horizonte de eventos do buraco negro – o proverbial fim da linha além da qual até mesmo a luz não pode escapar – efetivamente passa do universo observável para o desconhecido. Como a localização exata da órbita interna de um buraco negro depende de suas propriedades mais básicas, a medição do GRAVITY está nos dizendo algo profundo e novo sobre Sagitário A*. “Por si mesmos, os buracos negros são objetos simples – massa, rotação e carga [elétrica] é tudo que você tem”, diz Andrea Ghez, astrônomo da Universidade da Califórnia, em Los Angeles, que lidera uma equipe que usou os telescópios gêmeos Keck no Havaí para competir com o grupo de Genzel por mais de uma década. “A órbita estável interna está ligada à massa e giro do buraco negro – e já sabemos a massa [de Sagitário A*] – então se você acredita que o ponto quente está emitindo a partir daí, você pode fixar este buraco negro e medir essa propriedade fundamental. Essa propriedade fundamental está ligada a como essas coisas crescem, o que lhe diz como elas se formam e evoluem com o tempo. Buracos negros são constituintes básicos do nosso universo, então quando você os estuda, você está procurando os blocos de construção do cosmos”.

Infelizmente, por enquanto, a validação empírica do resultado do GRAVITY pode ser limitada apenas àquele instrumento. Em 2012, a Nasa retirou a iniciativa de fornecer aos telescópios Keck uma capacidade interferométrica semelhante à usada pelo GRAVITY no Very Large Telescope; sem ele, observações independentes – e confirmação – da equipe de Ghez provavelmente terão de esperar até 2020, quando dois observatórios americanos, ainda não construídos, de 30 metros de altura, o Giant Magellan Telescope e o Thirty Meter Telescope, estão programados para entrar em funcionamento.

Enquanto isso, o GRAVITY observará o centro galáctico para mais explosões a partir da próxima primavera, e corroborações adicionais podem vir do reino da radioastronomia. O Event Horizon Telescope, que procura visualizar a enigmática sombra de Sagitário A* interligando interferometricamente os observatórios de rádio de todo o mundo, deve publicar em breve os primeiros resultados de sua primeira corrida de observação em larga escala realizada no ano passado. Esse trabalho é muito mais próximo do buraco negro, onde a gravidade prende a luz em um anel giratório do lado de fora do horizonte de eventos. Mas, de acordo com o diretor do projeto, Sheperd Doeleman, essas observações também podem revelar sinais de rádio produzidos pela circulação de pontos de acesso mais distantes.

“Se você está olhando para eles em ondas infravermelhas, rádio ou gravitacionais, os buracos negros realmente são o ponto crucial, um dos mistérios mais profundos do universo”, diz Doeleman. “Como pode haver uma porta de sentido único no nosso universo? Afinal, o que isso quer dizer? No momento, ainda estamos vendo apenas ossos do lado de fora do covil do dragão – nós não vimos o dragão”.

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