Por Adrian Cho da Revista SCIENCE:
Enquanto fazia seu doutorado em física teórica no início dos anos 1970, Saul Teukolsky resolveu um problema que parecia puramente hipotético. Imagine um buraco negro, o nó fantasmagórico de gravidade que se forma quando, digamos, uma estrela massiva se extingue e colapsa até um ponto infinitesimal. Suponha que você o perturbe, como se tocasse um sino. Como o buraco negro responde?
Teukolsky, então um estudante de graduação no Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), atacou o problema com lápis, papel e a teoria da gravidade de Albert Einstein, relatividade geral. Como um sino, o buraco negro oscila em uma frequência principal e vários tons, ele descobriu. As oscilações desapareceriam rapidamente conforme o buraco negro irradiava ondas gravitacionais - ondulações na própria estrutura do espaço. Era um problema doce, diz Teukolsky, agora na Universidade Cornell. E era completamente abstrato - até 5 anos atrás.
Em fevereiro de 2016, os experimentadores com o Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), um par de instrumentos enormes em Louisiana e Washington, relataram a primeira observação de ondulações gravitacionais fugazes , que emanaram de dois buracos negros, cada um cerca de 30 vezes mais massivo como o Sol, espiralando um no outro a 1,3 bilhão de anos-luz de distância. O LIGO até sentiu o “anel para baixo”: o estremecimento do buraco negro maior produzido pela fusão. A velha tese de Teukolsky de repente era física de ponta.
“O pensamento de que qualquer coisa que eu fizesse teria implicações para qualquer coisa mensurável em minha vida era tão rebuscado que os últimos 5 anos pareceram um mundo de sonho”, diz Teukolsky. “Eu tenho que me beliscar, não parece real.”
Por mais fantástico que possa parecer, os cientistas agora podem estudar os buracos negros como objetos reais. Os detectores de ondas gravitacionais detectaram quatro dúzias de fusões de buracos negros desde a descoberta do LIGO. Em abril de 2019, uma colaboração internacional chamada Event Horizon Telescope (EHT) produziu a primeira imagem de um buraco negro . Ao treinar radiotelescópios ao redor do globo no buraco negro supermassivo no coração da galáxia próxima Messier 87 (M87), EHT produziu uma imagem de um anel de gás quente em torno da "sombra" escura do buraco negro. Enquanto isso, os astrônomos estão rastreando estrelas que passam perto do buraco negro no centro de nossa própria galáxia , seguindo caminhos que podem conter pistas sobre a natureza do próprio buraco negro.
As observações já estão desafiando as suposições dos astrofísicos sobre como os buracos negros se formam e influenciam seus arredores. Os buracos negros menores detectados pelo LIGO e, agora, pelo detector de ondas gravitacionais europeu Virgo, na Itália, mostraram-se mais pesados e mais variados do que o esperado, dificultando a compreensão dos astrofísicos sobre as estrelas massivas das quais elas presumivelmente se formam. E o ambiente ao redor do buraco negro supermassivo em nossa Galáxia parece surpreendentemente fértil, repleto de estrelas jovens, que não se espera que se formem em tal redemoinho. Mas alguns cientistas sentem a atração de uma questão mais fundamental: eles estão realmente vendo os buracos negros previstos pela teoria de Einstein?
Alguns teóricos dizem que a resposta é provavelmente um chato sim. “Não acho que vamos aprender mais nada sobre a relatividade geral ou a teoria dos buracos negros com nada disso”, diz Robert Wald, teórico da gravitação da Universidade de Chicago. Outros não têm tanta certeza. “Os buracos negros são exatamente iguais ao que você esperaria da relatividade geral ou são diferentes?” pergunta Clifford Will, um teórico da gravidade da Universidade da Flórida. “Isso vai ser um grande impulso para observações futuras.” Quaisquer anomalias exigiriam um repensar da teoria de Einstein, que os físicos suspeitam não ser a palavra final sobre a gravidade, uma vez que não combina com a outra pedra angular da física moderna, a mecânica quântica.
Usando várias técnicas, os pesquisadores já estão obtendo visões diferentes e complementares desses objetos estranhos, diz Andrea Ghez, astrofísica da Universidade da Califórnia, em Los Angeles, que compartilhou o Prêmio Nobel de Física de 2020 por inferir a existência do buraco negro supermassivo em o coração da nossa galáxia. “Ainda estamos muito longe de montar uma imagem completa”, diz ela, “mas certamente estamos colocando mais peças do quebra-cabeça no lugar.”
Consistindo em pura energia gravitacional, um buraco negro é uma bola de contradições. Não contém matéria, mas, como uma bola de boliche, possui massa e pode girar. Não tem superfície, mas tem um tamanho. Ele se comporta como um objeto imponente e pesado, mas na verdade é apenas uma região peculiar do espaço.
Ou assim diz a relatividade geral, que Einstein publicou em 1915. Dois séculos antes, Isaac Newton havia postulado que a gravidade é uma força que de alguma forma atinge o espaço para atrair objetos massivos uns aos outros. Einstein foi mais fundo e argumentou que a gravidade surge porque coisas massivas, como estrelas e planetas, distorcem o espaço e o tempo - mais precisamente, o espaço-tempo - fazendo com que as trajetórias de objetos em queda livre se curvem em, digamos, o arco parabólico de uma bola lançada.
As primeiras previsões da relatividade geral diferiam apenas ligeiramente das da teoria de Newton. Enquanto Newton previu que um planeta deveria orbitar sua estrela em uma elipse, a relatividade geral prevê que a orientação da elipse deve avançar ligeiramente, ou precessão, a cada órbita. No primeiro triunfo da teoria, Einstein mostrou que ela explicava a até então inexplicada precessão da órbita do planeta Mercúrio. Só anos depois os físicos perceberam que a teoria também implicava algo muito mais radical.
Em 1939, o teórico J. Robert Oppenheimer e colegas calcularam que, quando uma estrela suficientemente massiva se extingue, nenhuma força conhecida poderia impedir seu núcleo de colapsar até um ponto infinitesimal, deixando para trás seu campo gravitacional como um fosso permanente no espaço-tempo. Dentro de uma certa distância do ponto, a gravidade seria tão forte que nem mesmo a luz poderia escapar. Qualquer coisa mais próxima seria isolada do resto do universo, argumentou David Finkelstein, um teórico da Caltech, em 1958.
Esse “horizonte de eventos” não é uma superfície física. Um astronauta que passasse por ele não notaria nada de especial. Mesmo assim, raciocinou Finkelstein, que morreu poucos dias antes do anúncio do LIGO em 2016, o horizonte funcionaria como uma membrana unilateral, deixando as coisas entrarem, mas impedindo que qualquer coisa saia.
Em uma simulação, vista de vários ângulos, a intensa gravidade de um buraco negro distorce a imagem do disco de gás quente e brilhante que o cerca. GODDARD SPACE FLIGHT CENTER / JEREMY SCHNITTMAN
De acordo com a relatividade geral, esses objetos - eventualmente chamados de buracos negros pelo famoso teórico John Archibald Wheeler - também deveriam exibir uma semelhança chocante. Em 1963, Roy Kerr, um matemático da Nova Zelândia, descobriu como um buraco negro giratório de uma determinada massa deformaria e torceria o espaço-tempo. Outros logo provaram que, na relatividade geral, massa e spin são as únicas características que um buraco negro pode ter, o que implica que a fórmula matemática de Kerr, conhecida como métrica de Kerr, descreve todos os buracos negros que existem. Wheeler apelidou o resultado de teorema careca para enfatizar que dois buracos negros da mesma massa e spin são tão indistinguíveis quanto carecas. O próprio Wheeler era careca, observa Teukolsky, “então talvez fosse orgulho careca”.
Alguns físicos suspeitaram que os buracos negros poderiam não existir fora da imaginação dos teóricos, diz Sean Carroll, um teórico da Caltech. Os céticos argumentaram que os buracos negros podem ser um artefato da matemática sutil da relatividade geral, ou que só podem se formar em condições irrealistas, como o colapso de uma estrela perfeitamente esférica. No entanto, no final dos anos 1960, Roger Penrose, um teórico da Universidade de Oxford, dissipou essas dúvidas com matemática rigorosa, pela qual dividiu o Prêmio Nobel de Física de 2020. “Penrose provou exatamente que, não, não, mesmo que você tenha uma coisa irregular, contanto que a densidade se tornasse alta o suficiente, ela desabaria em um buraco negro”, diz Carroll.
Logo, os astrônomos começaram a ver sinais de buracos negros reais. Eles localizaram pequenas fontes de raios-X, como Cygnus X-1, cada uma em órbita ao redor de uma estrela. Os astrofísicos deduziram que os raios-x vieram do gás fluindo da estrela e aquecendo ao cair sobre o objeto misterioso. A temperatura do gás e os detalhes da órbita indicavam que a fonte de raios-X era muito grande e pequena para ser qualquer coisa além de um buraco negro. Raciocínio semelhante sugerido quasares, galáxias distantes expelindo radiação, são alimentados por buracos negros supermassivos em seus centros.
Mas ninguém poderia ter certeza de que esses buracos negros são realmente o que os teóricos haviam imaginado, observa Feryal Özel, astrofísico da Universidade do Arizona (UA). Por exemplo, “Muito pouco que fizemos até agora estabelece a presença de um horizonte de eventos”, diz ela. “Essa é uma questão em aberto.”
Agora, com várias maneiras de observar os buracos negros, os cientistas podem começar a testar sua compreensão e procurar surpresas que possam revolucionar a física. “Embora seja muito improvável, seria extremamente importante se descobríssemos que houve algum desvio” das previsões da relatividade geral, diz Carroll. “É uma questão de alto risco e alta recompensa”.
Os cientistas esperam responder a três perguntas específicas:
Os buracos negros observados realmente têm horizontes de eventos?
Eles são tão inexpressivos quanto diz o teorema do sem cabelo?
E eles distorcem o espaço-tempo exatamente como a métrica de Kerr prevê?
Talvez a ferramenta mais simples para respondê-las seja aquela desenvolvida por Ghez. Desde 1995, ela e seus colegas têm usado o telescópio Keck de 10 metros no Havaí para rastrear estrelas em torno de uma fonte de rádio conhecida como Sagittarius A * (Sgr A *) no centro de nossa galáxia. Em 1998, as altas velocidades das estrelas revelaram que elas orbitam um objeto 4 milhões de vezes mais massivo que o sol. Como Sgr A * compacta muita massa em um volume tão pequeno, a relatividade geral prediz que deve ser um buraco negro supermassivo. Reinhard Genzel, um astrofísico do Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, rastreou as estrelas de forma independente para chegar à mesma conclusão e compartilhou o Prêmio Nobel com Ghez.
Muitas das informações vêm de uma única estrela, apelidada de SO2 por Ghez, que gira em torno de Sgr A * uma vez a cada 16 anos. Assim como a órbita de Mercúrio em torno do Sol tem precessão, também deve ocorrer a órbita de SO2. Ghez e seus colegas estão agora tentando extrair essa precessão dos dados extremamente complicados. “Estamos bem no limite”, diz ela. “Temos um sinal, mas ainda estamos tentando nos convencer de que é real”. (Em abril de 2020, Genzel e colegas afirmaram ter visto a precessão .)
Se tiverem um pouco de sorte, Ghez e companhia esperam procurar outras anomalias que investiguem a natureza do buraco negro supermassivo. Perto do buraco negro, seu spin deve modificar a precessão da órbita de uma estrela de uma forma previsível a partir da descrição matemática de Kerr. “Se houvesse estrelas ainda mais perto do que as que eles viram - talvez 10 vezes mais perto - então você poderia testar se a métrica Kerr está exatamente correta”, diz Will.
O rastreamento de estrelas provavelmente nunca irá sondar muito perto do horizonte de eventos de Sgr A *, que poderia caber na órbita de Mercúrio. Mas o EHT, que combina dados de 11 radiotelescópios ou matrizes ao redor do mundo para formar, essencialmente, um grande telescópio, ofereceu uma visão mais detalhada de um buraco negro supermassivo diferente, a besta de 6,5 bilhões de massa solar em M87.
A famosa imagem que a equipe divulgou há 2 anos, que lembra um arco de circo em chamas, é mais complicada do que parece. O anel brilhante emana do gás quente, mas o centro escuro não é o próprio buraco negro. Em vez disso, é uma “sombra” lançada pelo buraco negro à medida que sua gravidade distorce ou “lentes” a luz do gás à sua frente. A borda da sombra não marca o horizonte de eventos, mas sim uma distância de cerca de 50% mais longe, onde o espaço-tempo é distorcido apenas o suficiente para que a luz que passa circule o buraco negro, não escapando nem caindo na boca.
A gravidade de um buraco negro supermassivo lança uma “sombra” circular escura no brilho do gás circundante na imagem icônica capturada pela colaboração Event Horizon Telescope.Colaboração Event Horizon Telescope et al.
Mesmo assim, a imagem contém pistas sobre o objeto em seu centro. O espectro do anel brilhante pode revelar, por exemplo, se o objeto tem uma superfície física em vez de um horizonte de eventos. A matéria caindo em uma superfície brilharia ainda mais forte do que a matéria escorregando em um buraco negro, explica Özel. (Até agora, os pesquisadores não viram nenhuma distorção espectral.) A forma da sombra também pode testar a imagem clássica de um buraco negro. O horizonte de eventos de um buraco negro em rotação deve se projetar no equador. No entanto, outros efeitos na relatividade geral devem neutralizar esse efeito na sombra. “Por causa de um cancelamento muito estranho de esmagamento em diferentes direções, a sombra ainda parece circular”, diz Özel. “É por isso que a forma da sombra se torna um teste direto do teorema careca.
Alguns pesquisadores duvidam que o EHT possa criar imagens do buraco negro com precisão suficiente para tais testes. Samuel Gralla, um teórico da UA, questiona se EHT está vendo a sombra de um buraco negro ou apenas visualizando o disco de gás girando em torno do buraco negro de cima para baixo, caso em que a mancha escura é simplesmente o olho daquele furacão astrofísico. Mas Özel diz que mesmo com resolução limitada, o EHT pode contribuir significativamente para testar a relatividade geral na terra incógnita conceitual em torno de um buraco negro.
As ondas gravitacionais, em contraste, transmitem informações diretamente dos próprios buracos negros. Produzidas quando os buracos negros espiralam juntos à metade da velocidade da luz, essas ondulações no espaço-tempo passam desimpedidas pela matéria comum. O LIGO e o Virgo detectaram agora fusões de buracos negros com massas que variam de três a 86 massas solares.
As fusões podem sondar os buracos negros de várias maneiras, diz Frank Ohme, um teórico da gravitação e membro do LIGO no Instituto Max Planck de Física Gravitacional. Supondo que os objetos sejam buracos negros clássicos, os pesquisadores podem calcular a partir da relatividade geral como o sinal da onda gravitacional semelhante a um chirplike de uma fusão deve acelerar, atingir o clímax em um pico e então ressoar. Se os parceiros massivos forem na verdade objetos materiais maiores, à medida que se aproximam, eles devem se distorcer, alterando o pico do sinal. Até agora, os pesquisadores não viram alterações, diz Ohme.
A fusão produz um buraco negro perturbado exatamente como o da velha tese de Teukolsky, oferecendo outro teste de relatividade geral. O buraco negro final ondula de forma breve, mas poderosa, em uma frequência principal e vários sobretons de vida mais curta. De acordo com o teorema sem cabelo, essas frequências e vidas dependem apenas da massa e do spin do buraco negro final. “Se você analisar cada modo individualmente, todos eles têm que apontar para a mesma massa do buraco negro e girar ou algo está errado”, diz Ohme.
Em setembro de 2019, Teukolsky e colegas extraíram a vibração principal e um único tom de uma fusão particularmente forte. Se os experimentadores puderem melhorar a sensibilidade de seus detectores, diz Ohme, eles poderão detectar dois ou três sobretons - o suficiente para começar a testar o teorema do sem fio.
Instrumentos futuros podem tornar esses testes muito mais fáceis. Os telescópios ópticos de 30 metros que estão sendo construídos no Chile e no Havaí devem examinar a vizinhança de Sgr A * com uma resolução cerca de 80 vezes melhor do que os instrumentos atuais, diz Ghez, possivelmente espiando estrelas mais próximas. Da mesma forma, os pesquisadores do EHT estão adicionando mais antenas de rádio à sua rede, o que deve permitir que eles visualizem o buraco negro no M87 com mais precisão. Eles também estão tentando criar uma imagem de Sgr A *.
Enquanto isso, pesquisadores de ondas gravitacionais já estão planejando a próxima geração de detectores mais sensíveis, incluindo a Antena Espacial de Interferômetro a Laser (LISA), composta por três satélites voando em formação a milhões de quilômetros de distância. Para ser lançado na década de 2030, o LISA seria tão sensível que poderia detectar um buraco negro de massa estelar comum espiralando em um buraco negro supermassivo muito maior em uma galáxia distante, diz Nicolas Yunes, um físico teórico da Universidade de Illinois, Urbana -Champaign.
O buraco negro menor serviria como uma sonda precisa do espaço-tempo ao redor do buraco negro maior, revelando se ele se deforma e torce exatamente como a métrica de Kerr dita. Um resultado afirmativo consolidaria o caso de que os buracos negros são o que a relatividade geral prevê, diz Yunes. "Mas você tem que esperar por LISA."
(enfatizando que no vídeo acima, cada segundo corresponde a milhares de trilhões de anos... um outro vídeo mais comprido mas muito interessante sobre essa escala temporal pode ser conferido abaixo:)
Nesse ínterim, a observabilidade repentina dos buracos negros mudou a vida dos físicos gravitacionais. Outrora o domínio dos experimentos mentais e cálculos elegantes, mas abstratos, como o de Teukolsky, a relatividade geral e os buracos negros são de repente as coisas mais quentes da física fundamental, com especialistas em relatividade geral fornecendo dados vitais para experimentos de bilhões de dólares. “Eu mesma senti essa transição literalmente”, diz Ohme. “Era realmente uma comunidade de nicho pequeno e com a detecção de ondas gravitacionais que tudo mudou.”
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