10 curiosidades sobre as fotografias históricas do buraco negro

10 curiosidades sobre as fotografias históricas do buraco negro

18 de junho de 2022 0 Por Jonas Estefanski
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De acordo com estimativas recentes, os especialistas acreditam que existam cerca de 40 bilhões de buracos negros no universo observável. Conseguimos fotografar o Horizonte de Eventos do Buraco Negro em nossa Galáxia e M87.

Meio século atrás, os astrônomos primeiro levantaram a hipótese de que existe um buraco negro supermassivo no centro de nossa galáxia . Muitos dados falam em apoio a esta versão; até mesmo a massa deste objeto compacto e não radiante foi calculada.

Em 12 de maio de 2022, o mundo finalmente enfrentou a escuridão no centro da Via Láctea em uma imagem de tirar o fôlego tirada pelo Event Horizon Telescope. Então , o que sabemos sobre nosso buraco negro supermassivo ?


Quando os astrônomos confirmaram a existência do buraco negro supermassivo Sagitário A*?

Em 2002, o grupo de Reinard Genzel e o grupo de Andrea Ghez, com base nos resultados de 10 anos de observação do movimento das estrelas nas proximidades do centro da nossa Galáxia, descobriram que existe um objeto com uma massa de cerca de quatro milhões de massas solares, em uma região de cerca de 10 bilhões de quilômetros.

Esta era uma prova quase irrefutável da presença de um buraco negro supermassivo ali: os astrofísicos não conhecem outra maneira de encaixar tal massa em um volume tão pequeno, e mesmo assim esse objeto não irradia nada.

Graças à colaboração do Event Horizon Telescope, os astrônomos conseguiram refinar o tamanho desta região. Agora entendemos que a sombra de um buraco negro tem cerca de 60 milhões de quilômetros de diâmetro – isso é comparável ao tamanho da órbita de Mercúrio . Se substituíssemos o Sol por um buraco negro SgrA *, a Terra se moveria em órbita 2.000 vezes mais rápido e o ano duraria 4,5 horas.

Além disso, ambas as medições forneceram valores de massa consistentes, que por sua vez são consistentes com as previsões da teoria da relatividade.

Isso torna possível refutar muitas (mas não todas) hipóteses alternativas sobre a natureza de um objeto compacto no centro da Galáxia, como uma singularidade nua, e alguns modelos de estrelas bosônicas.

Todas essas hipóteses não se encaixam no quadro observado.

O Event Horizon Telescope – O que é e o que faz?

Event Horizon Telescope (EHT) é composto por mais de 300 cientistas e uma dúzia de radioobservatórios unidos em uma rede global que funciona como um colossal radiotelescópio. Como o nome indica, sua tarefa é estudar buracos negros supermassivos com o máximo de detalhes possível, com uma resolução tão angular que você possa ver seu horizonte de eventos.

Imagens do Event Horizon Telescope até o momento

A EHT apresentou seu primeiro resultado em 2019 – a colaboração tirou uma foto da sombra de um buraco negro no centro da galáxia M87. No entanto, os dados necessários para construir esta imagem foram recebidos em 2017 e os astrônomos levaram dois anos para calibrar os dados, desenvolver modelos e desenvolver novas técnicas de imagem.

Os dados para a imagem da sombra de Sagitário A*, o buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea , foram coletados pela colaboração ao mesmo tempo em abril de 2017. No entanto, demorou ainda mais para ser concluído – só o recebemos em Maio de 2022.

O que sabemos sobre o buraco negro em M87?

O buraco negro supermassivo que o EHT demonstrou em 2019 é um gigante, um dos buracos negros mais massivos que conhecemos. Sua massa é 6,5 bilhões a mais que a massa do Sol.

Sua casa é a gigantesca galáxia elíptica Virgo A (Messier 87) no centro do Superaglomerado de Virgem, a 55 milhões de anos-luz da Terra. O buraco negro em M87 é cercado por um disco de acreção e emite jatos relativísticos – jatos de partículas carregadas movendo-se a uma velocidade próxima à velocidade da luz. Os jatos em M87 são claramente visíveis em todo o espectro eletromagnético.

Um jato de buraco negro no centro da galáxia M87 visto pelo Telescópio Espacial de Raios-X Chandra.  Crédito: NASA
Um jato de buraco negro no centro da Galáxia M87 visto pelo Telescópio Espacial de Raios-X Chandra. Crédito: NASA

Como Sagitário A* é diferente?

Nosso buraco negro Sagitário A* é muito mais comum, semelhante à maioria dos buracos negros que conhecemos no Universo. No entanto, está muito mais próximo, a uma distância de 27 mil anos-luz de nós, e sua massa é três ordens de magnitude menor que a do buraco negro em M87 – cerca de 4 milhões de massas solares.

A taxa de acreção de matéria no Sgr A* também é muito menor e não há evidências de que ele emita jatos. Mas é o mais próximo de nós.
Na década de 1990, os astrônomos conseguiram determinar sua massa com precisão: os astrônomos estudaram as órbitas das estrelas que se moviam em torno de Sagitário A* e calcularam a massa a partir dos parâmetros dessas órbitas.

Ao mesmo tempo, os resultados dos dois grupos obtidos independentemente em dois telescópios diferentes convergiram com razoável precisão.

O buraco negro no centro de M87 é cerca de mil vezes mais pesado que Sgr A*, mas também mil vezes mais distante.

Como o tamanho do horizonte de eventos de um buraco negro é diretamente proporcional à sua massa, e o tamanho angular no céu é inversamente proporcional à sua distância, as imagens de sombra de ambos os buracos negros devem ter aproximadamente o mesmo tamanho. Mas tirar uma foto com Sagitário A* acabou sendo muito mais difícil.

Por que demorou tanto para a imagem de Sagitário A* ser concluída?

Tudo começa com a nossa localização – o plano do disco da Via Láctea . Isso significa que os astrônomos precisam olhar para o seu centro através de densas nuvens de gás e poeira que estão no caminho da radiação.

Ao passar por essas nuvens, a radiação é atenuada e a imagem fica mais borrada. Tanto a distorção de absorção quanto de radiação devem ser levadas em consideração na construção da imagem final.

Esses efeitos foram previstos teoricamente antes, mas para a maioria dos outros núcleos galácticos ativos, eles são pequenos e, na prática, raramente são levados em consideração. Portanto, a colaboração EHT teve que desenvolver métodos para considerar tais distorções para obter imagens claras eventualmente.

A primeira imagem do buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea - Sagitário A*.  Crédito: ESA
A primeira imagem do buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea – Sagitário A*. Crédito: ESA

O tamanho da sombra de Sagitário A* é de cerca de dez minutos-luz. Em algumas dezenas de minutos, o movimento do plasma e do gás altera a imagem, e o telescópio não tem tempo de obter uma imagem.

Normalmente, uma sessão de observações de um objeto usando o EHT dura de 10 a 12 horas, mas mesmo em uma hora, a estrutura do anel em torno de Sagitário A* pode mudar completamente.

Então, os radioastrônomos conseguiram muitas peças do quebra-cabeça, mas todas pertenciam a fotografias diferentes porque, enquanto recebiam essas peças, o alvo mudava.

Levou cinco anos para reuni-los em uma única imagem.

Os cientistas geraram inúmeros modelos antes de conseguirem construir a imagem final

O processo de trabalho incluiu a criação de muitos modelos que foram comparados com dados observacionais. Finalmente, os cientistas tiveram que descobrir quais modelos eram mais precisos com os dados obtidos. Na imagem abaixo, você vê os quatro finalistas que foram selecionados. A partir desses quatro aglomerados, os cientistas construíram a imagem final que vimos em maio de 2022.

Imagem final e quatro imagens médias de quatro clusters.  Os gráficos de barras mostram a contribuição de cada um dos clusters para a imagem final.  Crédito: ESA
Imagem final e quatro imagens médias de quatro clusters. Os gráficos de barras mostram a contribuição de cada um dos clusters para a imagem final. Crédito: ESA

De quantos telescópios o EHT precisaria para obter resultados mais rápidos?

Se o EHT consistisse em 100 telescópios, a variabilidade de Sagitário A* não seria um problema. Os cientistas poderiam tirar imagens de alta qualidade a cada 10 minutos e em uma sessão de observação fazer um filme inteiro sobre como um buraco negro vive e muda.

Mas o EHT tinha apenas oito telescópios em 2017 e teve que usar a rotação da Terra para construir uma imagem de qualidade. Graças a ele, a projeção da base de cada par de telescópios muda com o tempo, de modo que o número de diferentes escalas angulares medidas em uma observação é suficiente para imagens simples, desde que essa imagem não mude. Como sabemos, este não é o caso do SgrA*.

Em observações futuras, aumentando o número de telescópios no EHT, será possível fazer um vídeo do comportamento da matéria em torno de um buraco negro. Isso permitirá não apenas refinar os parâmetros do próprio buraco negro, mas também entender melhor a física do plasma em acreção.

O que podemos esperar do projeto EHT no futuro – mais imagens de buracos negros?

Em abril de 2017, quando o EHT recebeu dados dos quais foram coletadas imagens das sombras de buracos negros na Via Láctea e M87, os cientistas usaram-no para observar muitos outros objetos: a galáxia Centaurus A , blazars 3C 279, OJ 287. , algumas outras galáxias ativas também foram observadas em 2021 e 2022. Portanto, pode-se esperar que os resultados dessas observações também sejam apresentados em breve.

Além disso, o próprio Event Horizon Telescope está crescendo gradualmente. Desde 2017, o EHT adicionou três novos telescópios – na Groenlândia, Arizona e França – e a sensibilidade de todos os telescópios melhorou em 40%. Os cientistas já fizeram as primeiras observações com uma frequência de 345 gigahertz.

Comparado a 2017, o telescópio agora pode observar objetos com metade do tamanho e 2,5 vezes mais fraco. Além disso, a radiação na nova frequência de 345 GHz é menos suscetível à dispersão do que nos 230 GHz anteriores, portanto, as imagens a seguir serão mais nítidas.

Por exemplo, espera-se que as observações de 2021-2022 permitam aos cientistas ver em detalhes a região de onde o jato relativístico do buraco negro emana no centro da galáxia M87.

Podemos esperar melhores imagens de Sagitário A* em breve?

Os planos da colaboração, obviamente, são construir uma imagem de SgrA * em luz polarizada linearmente e detectar a polarização circular do buraco negro em M87.

Isso pode ser feito com os dados já disponíveis, então os cientistas do EHT analisarão isso em breve. Os buracos negros não podem ter seu próprio campo magnético, mas podemos ver sua formação no disco de acreção e como ele participa do lançamento e aceleração da ejeção relativística.

A observação da radiação polarizada é a chave que abrirá as portas para a medição dos campos magnéticos nas imediações dos buracos negros.

Ao medi-los, podemos refutar definitivamente todos os modelos alternativos de buracos negros e, finalmente, entender como eles lançam jatos relativísticos.