A Primeira Imagem de um Buraco Negro

Descrição da imagem: Em abril de 2017, as informações para a primeira imagem de um buraco negro foram coletadas nos discos rígidos de vários telescópios e transportadas por um avião comercial para o Observatório Haystack em Massachusetts. Processadas, comparadas e analisadas por aglomerados de supercomputadores, em abril de 2019, os físicos puderam nos revelar este simples halo de luz amarela alaranjada, borrada e assimétrica que se destaca sobre um fundo negro. O monstro cósmico, localizado a cerca de 50 milhões de anos-luz da Terra, foi imagemado no centro da galáxia M87 por uma colaboração internacional (Event Horizon Telescope). Fonte da imagem: EHT Collaboration.

"Ver" na física é simplificar o real

Ao longo da história, os humanos precisaram de luz para medir os fenômenos físicos, mas nossa visão não é muito eficaz. O que vemos com nossos olhos é a pequena faixa de vibrações que encontramos no espectro eletromagnético entre 380 nanômetros para o violeta e 780 nm para o vermelho, enquanto a imagem é construída por nosso cérebro.

O comprimento de onda da luz está intimamente ligado ao conceito de cor, mas há cores que nunca veremos, aquelas localizadas além do violeta e abaixo do vermelho. Portanto, nunca serão interpretadas por nosso cérebro.

O paradoxo com um buraco negro é que ele não tem cor por definição porque a luz, a matéria e a energia estão presas dentro do buraco negro. Como os físicos do projeto EHT (Telescópio do Horizonte de Eventos) conseguiram transformar as informações de um buraco negro supermassivo invisível em luz visível para o olho humano?

Um buraco negro retém todas as informações. É um objeto misterioso cuja superfície não é sólida, líquida nem gasosa; é uma simples fronteira imaterial chamada "horizonte de eventos". Portanto, deve-se inventar outra maneira de "ver" o invisível.

Se o buraco negro é invisível, seu ambiente não é, e é graças a ele que poderemos determinar o horizonte de eventos e, assim, ver a sombra do buraco negro.

De acordo com a teoria do buraco negro, a matéria perto do horizonte de eventos é fortemente aquecida pela acreção antes de ser absorvida pelo monstro e desaparecer para sempre em seu poço gravitacional. Mas antes de desaparecer para sempre, a poeira e o gás circundantes, bem como os resíduos de estrelas que foram quebradas pelas forças de maré, emitem uma radiação característica no domínio das ondas milimétricas (luz não visível para o olho).

Essa radiação poderia revelar os arredores do buraco negro. A luz milimétrica girando em torno do buraco negro nos fornecerá, por contraste, muitas informações sobre o buraco negro (sua força de gravitação, como ele distorce o espaço-tempo, efeitos de lentes gravitacionais, etc.). Em resumo, embora invisível, um buraco negro "ilumina" à sua maneira a matéria que atrai.

Um buraco negro iluminado pela matéria!

A imagem acima representa um buraco negro iluminado pela matéria que ele mesmo aqueceu.

Usando a técnica de interferometria de base muito longa, os astrônomos criaram um telescópio gigante virtual cujo diâmetro é tão grande quanto a distância que os separa (cerca de 10.000 km). Eles combinaram oito radiotelescópios espalhados pelo nosso planeta (Europa, Chile, Estados Unidos, Havaí e Antártida).

Os alvos eram os dois buracos negros mais "visíveis" da Terra. O primeiro alvo foi Sagittarius A* (Sgr A), o buraco negro localizado no centro de nossa Via Láctea, a 26.000 anos-luz de nós, com uma massa igual a 4,1 milhões de vezes a do Sol. O outro alvo foi o buraco negro supermassivo 1.500 vezes Sagittarius A* (6 bilhões de massas solares), localizado a 50 milhões de anos-luz no coração da galáxia elíptica gigante M87.

As equipes do EHT tinham apenas uma janela de aproximadamente duas semanas a cada ano para tentar observações agrupadas. Para construir a imagem de alta resolução, os físicos tiveram que combinar posteriormente os sinais captados pelas diferentes antenas da rede com seus próprios relógios atômicos. Os tempos de chegada dos sinais são precisos até a décima bilionésima de segundo. Em seguida, compararam e calcularam seu ponto de origem para reconstruir uma imagem global gigantesca.

Uma única noite de observação coletou 2 petabytes de dados (2 x 10¹⁵). É possível que dentro dessa montanha de dados estejam escondidas outras informações que nos ajudem a compreender melhor a física muito particular que reina no ambiente próximo aos buracos negros. Notavelmente, os gigantescos jatos de partículas e radiação que alguns deles projetam no espaço a velocidades próximas à da luz.

Os discos rígidos de dados armazenados na Antártida tiveram então que esperar o fim do longo inverno gelado para serem transportados para o Observatório Haystack do MIT e para o Instituto Max Planck em Bonn. Esta primeira imagem de um buraco negro que você vê na sua tela é composta por apenas 33 KB de dados (33 x 10³), mil bilhões de vezes mais simples que os dados coletados.

Isso é "ver" para nosso cérebro, simplificar ao extremo a complexidade do real. Uma simples silhueta negra cercada por uma mancha brilhante borrada é suficiente para nossa felicidade.

A primeira simulação de um buraco negro

Descrição da imagem: A primeira simulação (1978) de Jean-Pierre Luminet, jovem pesquisador do Observatório de Paris-Meudon. Fonte da imagem: EHT Collaboration.

Em 1978, Jean Pierre Luminet (1951-), levando em conta as distorções complexas que o forte campo gravitacional imprime no espaço-tempo e nas trajetórias dos raios de luz que seguem sua trama, criou a primeira imagem virtual de um buraco negro.

Em sua simulação, o horizonte de eventos tem a aparência de um disco ligeiramente achatado. O campo gravitacional curva tão fortemente as trajetórias dos raios de luz perto do buraco negro que a parte traseira do disco é "elevada". Assim, uma imagem secundária nos permite ver a outra face do disco de acreção, aquela localizada atrás do buraco negro, que tomou a forma de um fino halo de luz aderido ao disco negro central. Mas a característica principal dessa simulação é a diferença de luminosidade entre as diferentes regiões do disco.

O brilho próprio é máximo nas áreas mais próximas do horizonte, pois é ali que o gás é mais quente. Para um observador distante, o fluxo luminoso recebido é amplificado no lado da imagem onde o gás se aproxima do observador.

O observador não estando estacionário em relação ao buraco negro, isso introduz uma distorção das imagens pelo efeito Doppler. O buraco negro pode estar animado por um movimento de rotação e gerar uma assimetria; o buraco negro já não é esférico.

Além disso, o efeito de lente gravitacional causado pelo buraco negro amplia o tamanho aparente de seu horizonte de eventos.