O retrato mais íntimo de um buraco negro

A colaboração Event Horizon Telescope, uma equipe internacional de radioastrônomos que há anos observa a garganta de um buraco negro gigante, divulgou o que chamou de o retrato mais íntimo das forças que dão origem aos quasares, as fontes de luz. de energia que pode atravessar o espaço interestelar e intergaláctico e interromper o crescimento de galáxias distantes.

O buraco negro em questão é um monstro 6,5 bilhões de vezes mais massivo que o Sol e fica no centro de uma enorme galáxia elíptica, Messier 87, a cerca de 55 milhões de anos-luz de distância, na constelação de Virgem. Dois anos atrás, a equipe o fotografou e produziu a primeira imagem de um buraco negro; a entidade até então invisível, uma vigia para a eternidade. Parecia um anel de fumaça difusa, muito parecido com o que as equações de Albert Einstein haviam previsto um século atrás.

O grupo passou os últimos dois anos extraindo mais dados de suas observações sobre a polarização das ondas de rádio, que podem revelar a forma dos campos magnéticos do gás quente girando em torno do buraco.

Ahora, visto a través del equivalente de radio de las gafas de sol polarizadas, el agujero negro M87 aparece como un vórtice de bigotes finos, como las aspas de un ventilador giratorio de un motor a reacción, que bombea materia al agujero negro y energía hacia o espaço.

“É como colocar um par de óculos de sol polarizados em um dia ensolarado – de repente você pode ver o que está acontecendo”, disse Sheperd Doeleman, astrônomo do Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics e diretor fundador da colaboração.

“Agora podemos ver os padrões desses campos no M87 e começar a estudar como o buraco negro está canalizando o material em direção ao seu centro”, disse ele.

Daniel Holz, um astrofísico da Universidade de Chicago que não fez parte da pesquisa, disse: “Esses jatos relativísticos são alguns dos fenômenos mais extremos da natureza, combinando gravidade, gás quente e campos magnéticos para produzir um raio que atravessa um galáxia inteira. É emocionante que E.H.T. está nos ajudando a aprender mais sobre o que está acontecendo no coração desses jatos relativísticos que se originam muito perto da ‘superfície’ de um buraco negro. “

Janna Levin, uma astrofísica do Barnard College da Universidade de Columbia que estuda buracos negros, mas não fazia parte da equipe Event Horizon, chamou os resultados de “emocionantes”, pois revelaram detalhes sobre como um buraco negro pode criar “uma arma de raios astronômica mortal, poderosa que se estende por milhares de anos-luz. “

O nível de detalhe da nova imagem, disse ele, pode renovar o interesse dos teóricos por características que eles desistiram de poder observar. “Muitas pessoas vão voltar correndo para seus belos cálculos, apenas sonhando acordado a lápis no papel, para perguntar, todas excitadas e nervosas: ‘Será que o E.H.T. Mesmo ver isto? ‘”Dr. Levin disse. “Eu vou ser um deles.”

Os resultados foram anunciados quarta-feira em dois papéis publicado no Cartas de diário astrofísico pela Event Horizon Telescope Collaboration e em um terceiro trabalho, de Ciriaco Goddi da Radboud University da Holanda e um grande elenco internacional, que foi aceito pela mesma revista.

Demônios negros do cosmos

Os buracos negros são poços sem fundo no espaço-tempo, onde a gravidade é tão poderosa que nem mesmo a luz pode escapar; tudo o que entra, essencialmente, desaparece do universo. O cosmos está crivado de buracos negros. Muitas são estrelas mortas que caíram catastroficamente sobre si mesmas. Uma está no centro de quase todas as galáxias e tem milhões ou bilhões de vezes mais massa do que qualquer estrela.

Paradoxalmente, apesar de sua capacidade de engolir luz, os buracos negros são os objetos mais luminosos do universo. O material – gás, poeira, estrelas esmagadas – caindo em um buraco negro é aquecido a milhões de graus enquanto gira em torno do ralo da destruição em um denso redemoinho de campos eletromagnéticos. A maior parte dessa matéria cai no buraco negro, mas parte dela é expelida, como pasta de dente, por enormes pressões e campos magnéticos. Os astrônomos não sabem como toda essa energia surge e é ordenada.

Esses fogos de artifício, que podem ofuscar as galáxias mil vezes, podem ser vistos em todo o universo; Quando foram observados pela primeira vez no início dos anos 1960, eram chamados de quasares. Essa descoberta levou físicos e astrônomos a levar a sério a noção de que buracos negros existem.

Em 2009, ansioso para explorar os mecanismos subjacentes e verificar as previsões de Einstein sobre os buracos negros, o Dr. Doeleman e seus colegas formaram o telescópio Event Horizon, uma colaboração internacional que agora conta com cerca de 300 astrônomos de 13 instituições.

O telescópio tem o nome de um ponto sem retorno em torno de um buraco negro; além do horizonte de eventos, toda luz e matéria são consumidas. Em abril de 2017, quando o telescópio passou 10 dias observando o M87, ele consistia em uma rede de oito observatórios de rádio ao redor do mundo: “um telescópio tão grande quanto o mundo”, como o Dr. Doeleman gosta de dizer, capaz de detectar detalhes tão pequenos como uma laranja na lua. Em seguida, a equipe levou dois anos para processar os dados. Os resultados vieram juntos em abril de 2019, quando Dr. Doeleman e seus colegas apresentaram as primeiras imagens (mapas de rádio, na verdade) de um buraco negro, o monstro M87.

Buracos negros foram “ouvidos” colidindo pela primeira vez em 2015, pelo Observatório de Ondas Gravitacionais do Interferômetro a Laser. Agora eles podiam ser vistos como um portal com tinta do nada. emoldurado por um donut giratório de gás radiante no centro da galáxia Messier 87.

“Vimos o que pensávamos ser invisível”, disse Doeleman na época. A imagem apareceu na primeira página de jornais de todo o mundo e uma cópia está agora na coleção permanente do Museu de Arte Moderna de Nova York.

Mas isso foi apenas o começo da jornada interior.

Dentro do dínamo

Os pesquisadores demoraram mais dois anos para produzir as imagens polarizadas divulgadas na quarta-feira.

Jatos e lóbulos de rádio, raios X e outras formas de energia se estendem por mais de 100.000 anos-luz do buraco negro em M87. Grande parte dessa radiação vem de partículas elétricas energéticas que espiralam em campos magnéticos.

A imagem recém-processada permite aos astrônomos rastrear esses campos de volta às suas origens, em um anel quente e caótico de gás eletrificado ou plasma, com cerca de 30 bilhões de milhas de largura, quatro vezes mais largo que a órbita de Plutão. Essa conquista é possível porque a luz do disco está parcialmente polarizada, vibrando mais em uma direção do que em outras.

“A direção e intensidade da polarização na imagem nos falam sobre os campos magnéticos próximos ao horizonte de eventos do buraco negro”, disse Andrew Chael, astrofísico da Universidade de Princeton que faz parte da equipe Event Horizon.

Astrônomos vêm debatendo há anos se os campos magnéticos ao redor dos chamados buracos negros de baixa luminosidade como o M87 eram fracos e turbulentos ou “fortes” e coerentes. Nesse caso, disse Chael, os campos magnéticos são fortes o suficiente para interromper o gás em queda e transferir energia do buraco negro giratório para o jato.

“O E.H.T. as imagens também fornecem pistas de que o jato brilhante em M87 é realmente alimentado pela energia rotacional do buraco negro, que torce campos magnéticos enquanto gira “, disse Michael Johnson, outro membro da Event Horizon do Harvard-Smithsonian Center. of Astrophysics.

Como resultado, Dr. Doeleman disse: “Isso dá às ondas de rádio emitidas o giro azimutal” observado no padrão de curva das novas imagens polarizadas. Ele observou que o giro azimutal seria um “bom nome para um coquetel”.

Um subproduto do trabalho, disse Doeleman, foi que os astrônomos foram capazes de estimar a velocidade com que o buraco negro se alimenta de seus arredores. Ele aparentemente não está com muita fome; o buraco negro está comendo “um mísero” milésimo da massa do Sol por ano.

“No entanto, é o suficiente para lançar jatos poderosos que se estendem por milhares de anos-luz, e é radiante o suficiente para que possamos capturá-lo com o E.H.T.”, disse ele.

O Dr. Doeleman já está preparando as bases para o que ele chama de Telescópio Event Horizon da “próxima geração”, que produzirá filmes dessa estrutura de propulsão magnética em ação.

“Esta é realmente a próxima grande questão”, disse o Dr. Doeleman. “Como os campos magnéticos extraem energia de um buraco negro em rotação? Nós sabemos o que acontece, mas não sabemos como funciona. Para resolver isso, precisaremos criar o primeiro cinema de buracos negros. “