Temos uma matemática precisa que pode descrever como os buracos negros refletem nosso Universo

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Impressão artística de fótons girando em torno de um buraco negro. (Créditos: Nicolle R. Fuller/NSF)

Traduzido por Julio Batista
Original de Michelle Starr para o ScienceAlert

Astrônomos desenvolveram um conjunto de equações que podem descrever com precisão os reflexos do Universo que aparecem na luz distorcida ao redor de um buraco negro.

A proximidade de cada reflexão depende do ângulo de observação em relação ao buraco negro e da taxa de rotação do buraco negro, de acordo com uma solução matemática elaborada pelo estudante de física Albert Sneppen do Instituto Niels Bohr na Dinamarca em julho de 2021.

Isso foi muito legal, claro, mas não foi apenas muito legal. Também potencialmente nos deu uma nova ferramenta para sondar o ambiente gravitacional em torno desses objetos extremos.

“Há algo fantasticamente belo em entender agora por que as imagens se repetem de maneira tão elegante”, disse Sneppen em um comunicado de 2021. “Além disso, oferece novas oportunidades para testar nossa compreensão da gravidade e dos buracos negros.”

Se há uma coisa pela qual os buracos negros são famosos, é sua extrema gravidade. Especificamente pelo fato de que além de um certo raio, a velocidade mais rápida alcançável no Universo, a da luz no vácuo, é insuficiente para atingir a velocidade de escape.

Esse ponto sem retorno é o horizonte de eventos – definido pelo chamado raio de Schwarszchild – e é a razão pela qual dizemos que nem mesmo a luz pode escapar da gravidade de um buraco negro.

Fora do horizonte de eventos do buraco negro, no entanto, o ambiente também é incrivelmente mente insano. O campo gravitacional é tão poderoso que a curvatura do espaço-tempo é quase circular.

Quaisquer fótons que entrarem nesse espaço, naturalmente, terão que seguir essa curvatura. Isso significa que, de nossa perspectiva, o caminho da luz parece estar distorcido e dobrado.

Na borda interna desse espaço, fora do horizonte de eventos, podemos ver o que é chamado de anel de fótons, onde os fótons viajam em órbita ao redor do buraco negro várias vezes antes de cair em direção ao buraco negro ou escapar para o espaço.

Isso significa que a luz de objetos distantes atrás do buraco negro pode ser ampliada, distorcida e ‘refletida’ várias vezes. Referimo-nos a isso como uma lente gravitacional; o efeito também pode ser visto em outros contextos e é uma ferramenta útil para estudar o Universo.

Então, sabemos sobre o efeito há algum tempo, e os cientistas descobriram que quanto mais perto você olha em direção ao buraco negro, mais reflexos você vê de objetos distantes.

Para ir de uma imagem para a próxima imagem, você precisava olhar cerca de 500 vezes mais perto da borda óptica do buraco negro, ou a função exponencial de dois pi (e), mas por que esse era o caso era difícil de descrever matematicamente.

A abordagem de Sneppen foi reformular a trajetória da luz e quantificar sua estabilidade linear, usando equações diferenciais de segunda ordem. Ele descobriu que sua solução não apenas descrevia matematicamente por que as imagens se repetem a distâncias de e, mas que poderia funcionar para um buraco negro em rotação – e essa distância de repetição depende da rotação.

“Acontece que, quando ele gira muito rápido, você não precisa mais se aproximar do buraco negro por um fator de 500, mas significativamente menos”, disse Sneppen. “Na verdade, cada imagem agora está a um fator de apenas 50, ou cinco, ou até duas vezes mais perto da borda do buraco negro.”

Na prática, isso será difícil de observar, pelo menos em breve – basta olhar para a quantidade intensa de trabalho que foi para solucionar a imagem do anel de luz ao redor do buraco negro supermassivo Pōwehi (M87*).

Teoricamente, no entanto, deve haver infinitos anéis de luz ao redor de um buraco negro. Uma vez que fotografamos a sombra de um buraco negro supermassivo uma vez, esperamos que seja apenas uma questão de tempo até que possamos obter imagens melhores, e já existem planos para criar imagens de um anel de fótons.

Um dia, as imagens infinitas perto de um buraco negro podem ser uma ferramenta para estudar não apenas a física do espaço-tempo do buraco negro, mas os objetos por trás deles – repetidos em reflexões infinitas em perpetuidade orbital.

A pesquisa foi publicada em Scientific Reports.