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Coluna do Astrônomo

Primeira Foto dos Limites de Um Buraco Negro

A publicação feita hoje da primeira foto de um buraco tem por trás uma história que nos faz refletir sobre: o poder humano de conhecer cada vez mais a natureza; o poder da arte em representar a natureza, mesmo com relação a algo que não tenha sido observado ou experimentado pela ciência; e o poder de acreditarmos em nossas próprias ideias quando sentimos que são válidas, por mais impossíveis que possam parecer  a outras pessoas.

Em 1993 o doutorando Henio Falcke percebeu que um certo tipo de emissão de rádio, intensa o suficiente para ser capturada da Terra, seria gerado nos limites de um buraco negro. Não lhe deram muitos ouvidos. Ele também foi marcado por um artigo de 1973 que dizia que um buraco negro poderia parecer duas vezes e meia maior que seu tamanho real devido ao efeito da forte gravidade. Essas duas hipóteses fizeram com que Falcke acreditasse que seria mesmo possível observar os limites de um buraco negro. Foram 20 anos de defesa de suas ideias até conseguir o patrocínio que mostraria que  ele estava certo.

A região que marca os limites de um buraco negro é chamada horizonte de eventos. Esse é o ponto que, se ultrapassado, não há mais volta. Buraco negro é um objeto que nasce quando uma estrela muito massiva morre (é possível  também que existam os buracos negros primordiais, formados logo após o big-bang). Inicialmente chamados de objetos gravitacionalmente colapsados, os buracos negros são definidos como objetos cuja gravidade não permite nem que o ente com a maior velocidade na natureza, a luz, consiga escapar. Esse efeito de “entra e não sai” acontece com qualquer coisa que cruze o horizonte de eventos.

Primeira imagem do horizonte de eventos de um buraco negro (EHT)

As imagens mostram gás interestelar caindo no horizonte de eventos. As imagens que resultaram nesta já clássica fotografia da Astronomia moderna foram obtidas pelo Event Horizon Telescope (do inglês Telescópio de Horizonte de Evento), um conjunto de oito observatórios espalhados na Terra que, juntos, funcionam como um enorme telescópio único.

Event Horizon Telescope, o conjunto de oito telescópios que funcionam em conjunto (BBC)

O buraco negro observado tem 40 bilhões de quilômetros de diâmetro e está na galáxia M87,  localizada a 55 milhões de anos-luz de nós, na constelação da Virgem. Sua massa é 6,5 bilhões de vezes a massa do Sol. Não foi à toa que Falcke o classificou como “um monstro”.

Notem que observar esse buraco negro tão distante foi mais fácil que observar o buraco negro que existe no centro de nossa própria galáxia. A Astronomia é uma ciência que lida muito com dificuldades observacionais e, de vez em quando, o que está mais próximo não está exatamente nas melhores condições de observação.

Buracos negros foram primeiro descobertos numa folha de papel, como solução para equações da relatividade geral, a teoria de Einstein, que descreve o Universo como sendo formado por uma malha onde espaço, tempo, energia e matéria estão interligados e não são coisas independentes.

Bom, uma solução como aquela poderia ser apenas um exercício matemático, mas a natureza poderia não ser capaz de produzir um espaço como aquele, com tanta gravidade que nem a luz poderia escapar. Até que, algumas décadas depois, a Astrofísica mostrou que o colapso estelar que antecede a explosão de uma supernova poderia de fato produzir um buraco negro.

Após isso foram observadas diversas situações que sugeriam a presença de um buraco negro, como jatos de matéria emitidos do centro de galáxias e até material espiralando para um provável buraco negro. Mas observar exatamente o horizonte de eventos desses misteriosos objetos era algo inacreditável.

Após o horizonte de eventos, nada escapa. O tempo para. Nada se move. O que isso significa exatamente? Não sabemos… Mas conseguimos chegar um pouco mais perto de um dos segredos da natureza, perto o suficiente para darmos uma olhadinha. E isso graças a um conjunto de tecnologias que nos permite tanto a tomada de dados da natureza quanto o processamento desses dados.

Os discos rígidos onde foram armazenados os dados que permitiram a primeira imagem de um horizonte de eventos (BBC)

E algo ainda nos chama a atenção nessa imagem do horizonte de eventos: ela é idêntica à maioria das representações artísticas feitas para representar um buraco negro. Como eles não emitem luz, desenhar um buraco negro é muito difícil. Normalmente, em figuras ou mesmo no cinema, a representação é feita se utilizando a luz que estaria sendo emitida no horizonte de eventos.

O que a arte nos mostrou é muito próximo do que a ciência agora nos revela, graças à utilização saudável de nossos avanços tecnológicos e à perseverança de um homem que soube seguir seu instinto desde a época de estudante.

Representação artística de um buraco negro do filme Interestellar, de 2014.

Leia Mais: BBC – First ever black hole image released (em inglês), CNN-This is the first photo of a black hole (em inglês)

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Coluna do Astrônomo

Hubble observa o quasar mais brilhante já observado no Universo primordial

Quasares são núcleos ativos de galáxias, extremamente brilhantes, que contêm um buraco negro supermassivo circundado por um disco de material que, ao cair no buraco negro, libera muita energia. Ela é observada em todos os comprimentos de onda: visível, infravermelho, raios X, etc.
 

Esse objeto começou a brilhar quando o Universo tinha apenas a idade de cerca de um bilhão de anos (atualmente, o Universo tem cerca de 14 bilhões de anos), e brilha o equivalente a cerca de 600 trilhões de sóis.

Apesar disso, o objeto só foi observado por um efeito que compreendemos através da teoria da relatividade, de Einstein. A gravidade de uma galáxia pouco brilhante localizada exatamente entre o quasar e a Terra distorce o espaço ao seu redor, gerando o que chamamos de lente gravitacional. Esse efeito produz uma distorção no caminho percorrido pela luz que chega a nós vinda do quasar, fazendo com que ele seja observado 50 vezes mais brilhante do que seria sem a lente gravitacional.

Objetos como esse podem ajudar a compreender as etapas iniciais pelas quais passou o Universo em seu início. O time de astrônomos trabalha agora em determinar a composição química e temperatura de um objeto dessa fase inicial do Universo. E o grupo espera também observar esse quasar com o Telescópio Espacial James Webb, com lançamento previsto para março de 2021. Com esse telescópio no espaço e outros em terra, o grupo pretende observar detalhes das vizinhanças do buraco negro central, sua influência no gás ao redor e na formação estelar da galáxia que o abriga.

 
Leia Mais:

(em inglês) https://www.spacetelescope.org/news/heic1902/?lang

Concepção artística de um quasar distante (NASA)

 

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Observação Detalhada de Material Orbitando o Buraco Negro do Centro da Via Láctea

Buracos negros são astros que atraem muito a nossa curiosidade por seu aspecto desconhecido. Estudar o interior de um buraco negro leva os astrônomos a se depararem com o que chamamos de singularidade, uma situação em que a matemática não funciona mais. É o que acontece, por exemplo, quando uma conta nos leva a uma divisão por zero.

A característica mais marcante de um buraco negro é que nada escapa dele, nem mesmo a luz. Logo, buracos negros são inobserváveis… mas podemos observar coisas girando ao seu redor.

Observações feitas no Observatório Europeu do Sul (ESO, da sigla em inglês de European Southern Observatory), Chile, mostram nodos de gás espiralando em órbita circular a uma velocidade de cerca de 30% da velocidade da luz ao redor do provável buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea. (Essa imagem utiliza dados de simulação – Fonte: ESO)

Observações anteriores de estrelas se deslocando velozmente na região central da Via Láctea e as observação de atividades com emissão de radiações de altas energias nos centros de outras galáxias já indicavam que a presença de buracos negros nos centros de galáxias espirais deve ser algo normal.

O que essas observações trazem de novidade é aumentar as evidências da existência do pesado morador do centro de nossa galáxia e o fato de, pela primeira vez, se observar material orbitando tão próximo do horizonte de eventos, que pode ser entendido como a região de fronteira entre o buraco negro e o exterior.

A animação abaixo fornece uma ideia melhor do que deve ser a movimentação do gás observado ao redor do buraco negro.

As melhores estimativas de massa em Astronomia são obtidas quando observamos movimentos. Isso permite relacionar as massas envolvidas com os movimentos observados e fazer boas estimativas. Através das observações já feitas de estrelas e, agora, do gás deslocando-se, a estimativa de massa para esse buraco negro é de cerca de quatro milhões de massas solares.

Apesar da grande massa e das expressões sempre associadas aos buracos negros como “altas energias”, “nada escapa”, “singularidade”, etc., sempre vale a pena desanimar os que adoram gerar material sensacionalista: não existe a mais remota chance desse buraco negro, ou qualquer outro, oferecer qualquer perigo à Terra ou ao Sistema Solar.

Leia mais sobre isso (em inglês): https://www.eso.org/public/news/eso1835/

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Coluna do Astrônomo

Ondas gravitacionais

LIGO quer dizer Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, que em livre tradução seria Observatório de ondas gravitacionais por interferometria a laser. Sua missão: detectar distorções no próprio espaço-tempo que o contém (e contém a todos!). Essas distorções são chamadas de “ondas gravitacionais” e, após mais de uma década de buscas, elas finalmente foram encontradas!

Gerido por um consórcio de universidades e centros de pesquisa dos EUA, encabeçado pela CalTech e pelo MIT, o LIGO são na verdade dois observatórios: um no estado de Washington, costa oeste norte-americana, e outro no estado da Louisiana, no Golfo do México. Ambos consistem em grandes construções em forma de “L”, cada braço, com cerca de 4km, abrigando um delicado feixe de laser que se mantém em contínuo vaivém graças a espelhos nas extremidades. A esperança – comprovada- era de que uma onda gravitacional mudasse, ainda que por frações de segundo, a posição desses espelhos, causando uma interferência nos feixes luminosos.

Não custa lembrar: ondas gravitacionais são distorções no espaço. A passagem de tais ondas por nossa vizinhança causaria distorções em tudo: no planeta, nas cidades, nas pessoas. Mas como essas distorções são infinitamente sutis, e quando acontecem, acontecem em uníssono ao nosso redor, nós não as percebemos. De fato, para que o LIGO pudesse detectar estas ondas, e foi isso que ele fez em setembro passado (e que foi anunciado hoje), foi necessário um choque colossal entre dois buracos negros, que aconteceu há cerca de um bilhão de anos, muito, mas muito longe daqui!

As ondas gravitacionais foram previstas por Einstein em 1915, mas só agora foram finalmente detectadas pelo LIGO. Estamos abrindo uma nova janela de observação do Universo! Nas palavras dos cientistas do LIGO, é como se Galileu estivesse usando seu telescópio para ver os céus pela primeira vez novamente!

É a história da Ciência sendo construída bem em frente de nós…

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Buraco Negro Central e Sua Influência na Formação Estelar

 

As galáxias espirais têm estrelas mais jovens que as galáxias elípticas. Essas últimas tiveram um surto de formação estelar na época de sua formação e não há muito gás restante atualmente para formar estrelas novas. Já as espirais possuem intensa formação estelar em seus braços. Quando se trata de galáxias, uma cor mais avermelhada indica que suas estrelas são mais antigas que as de uma galáxia mais azulada.

 

E um grupo de astrônomos, liderados por Asa Bluck, da Universidade de Victória, no Canadá, encontrou uma relação entre a cor da galáxia e a massa de seu bojo, que está também relacionada com a massa do buraco negro central que deve existir na grande maioria das galáxias. Isso levou os astrônomos a pensar que pode haver uma relação entre a massa do buraco negro central e a idade das estrelas de uma galáxia.

 

Quanto mais massa tiver um buraco negro, mais energia ele libera em jatos de matéria e radiação de raios X. Isso pode dissipar e esquentar o gás ao seu redor, impedindo a formação de novas estrelas.

 

Poucas das 500 mil galáxias estudadas, ordenadas de baixo para cima em ordem crescente de massa de suas estrelas e da esquerda para direita em ordem crescente de razão entre a massa do bojo e a massa total da galáxia (bulge-to-mass ratio). (Crédito: adaptada da RAS)

 

Na imagem acima aparecem algumas poucas galáxias do conjunto de 500 mil estudadas por Bluck e sua equipe. Estão ordenadas de baixo para cima em ordem crescente da massa de suas estrelas e da esquerda para direita em ordem crescente da chamada bulge-to-mass ratio, razão entre a massa do bojo e a massa total da galáxia. Os bojos proporcionalmente com mais massa possuem também os buracos negros com mais massa que liberam mais energia ao seu redor. Perceba que essas (acima e à direita) são também a galáxias mais avermelhadas.
 
 
O estudo foi feito com dados de 500 mil galáxias do Sloan Digital Sky Survey, e publicado no Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Em resumo, a conclusão é que os dados parecem mostrar que grandes buracos negros podem dar um fim à formação estelar. O curioso é que para se ter formação estelar é necessária uma perturbação gravitacional, como a explosão de uma supernova… mas muita perturbação simplesmente torna o processo impossível.
 
 
Isso me lembra que trabalhar com uma música de fundo pode ser muito agradável, mas trabalhar no meio de uma balada pode ser bem complicado.
 
 
Leia mais nesse Release no site da Royal Astronomical Society (RAS) (em inglês).
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Buracos negros existem como imaginamos?

Um dos mais temidos objetos do espaço, o buraco negro, pode estar com os seus dias contados. Pelo menos da maneira como nós o “víamos”. Quer dizer, não podemos ver um buraco negro, apenas a sua ação, engolindo a matéria ao seu redor. Está meio confuso, não? Mas é isso mesmo: os buracos negros, por princípio, engolem tudo ao seu redor, até a luz e, por isso não conseguimos informação de seu interior, apenas sabemos que eles estão lá porque vemos matéria sendo sugada por um objeto que não temos informação, e o chamamos de buraco negro.

 

Mas, em 1974, o físico inglês Stephen Hawking propôs que os buracos negros não são de fato negros. Eles evaporam, ou seja, eles liberam energia e podem mudar de tamanho e massa. A radiação que eles emitem recebeu o nome de radiação de Hawking. Ela é prevista pela física quântica.

 

Agora, o mesmo Hawking está propondo que o horizonte de eventos, a região que delimita um buraco negro, a partir de onde nem a luz consegue escapar, pode não se comportar da maneira como se pensava e pode nem existir. Ao ser sugado pelo buraco negro clássico (previsto pela Teoria da Relatividade Geral de Einstein), um astronauta, por exemplo, seria esticado até ficar com uma configuração de um espaguete. O nome deste triste fim do astronauta é conhecido como espaguetificação.

 

Na nova teoria – que ainda não foi publicada nem apresenta os cálculos para explicá-la – deve existir um “horizonte aparente”, permitindo que a matéria fique aprisionada e nem chegue a “cair” para o centro. Ela ficaria retida e poderia “evaporar” na forma de radiação de Hawking. Assim, a luz poderia escapar do buraco negro, mas de uma forma tão caótica que não poderíamos saber nada sobre a sua natureza. Em resumo, o novo horizonte seria mais uma prisão do que um uma sentença de morte.

 

Com a palavra o Dr. Hawking!