O Buraco Negro – Como a astronomia viu o invisível

Rafael Santucci, astrônomo professor da UFG, explica como ocorrem alguns dos fenômenos mais extremos do universo, como o buraco negro

Como a astronomia fez a imagem do buraco negro M87*
Primeira imagem de um buraco negro da história, feita pelo projeto Event Horizon Telescope | Foto: Reprodução

A astronomia foi uma das primeiras ciências criadas. A mistura de astrologia, religião e observação do céu surgiu no período neolítico e levou os humanos a criarem os primeiros calendários. Alguns milhares de anos atrás, nossos olhos treinados para procurar padrões ajudaram a nos guiar através de um mundo novo e confuso. A atividade de olhar para cima nos ajudou a atribuir sentido ao caos, prevendo eventos climáticos e dividindo o tempo em ciclos. Entretanto, milênios depois, a astronomia destrói nossa ingenuidade e coloca a espécie humana em sua adolescência, de volta a um lugar assustador.

O renascimento da astronomia, com Nicolaus Copernicus (1473 – 1543), nos revelou que a esfera amarela que aquece nossa pele de dia e as luzes que brilham à noite não foram feitas para nós – elas simplesmente são. Aprendemos que não somos o centro do universo e que ele é muito mais antigo do que pensamos. Aprendemos também que existimos apenas durante um período limitado de uma história que se estende por bilhões de anos.

Aprendemos que nosso planeta gira em torno de uma estrela de tamanho médio, que por sua vez se localiza em uma região quieta de um braço de uma galáxia média, que é parte de um grupo de galáxias da qual nunca sairemos. E esse grupo é apenas um dos que formam um superaglomerado de galáxias, mas mesmo o nosso superaglomerado é apenas um em milhares dos que formam o nosso universo observável. O universo pode ser um milhão de vezes maior, mas nós nunca saberemos.

O projeto do Telescópio Horizonte de Eventos

Disposição dos observatórios do EHT
Disposição dos observatórios que participaram da observação do M87 | Foto: Reprodução

No dia 10 de abril de 2019, astrônomos conseguiram observar o invisível. O projeto Event Horizon Telescope (EHT) captou ondas de rádio vindas do centro da galáxia Messier 87, distante 55 milhões de anos-luz, montando pela primeira vez a imagem de um buraco negro. A “fotografia” é um troféu na galeria da ciência e uma demonstração de força da astronomia. Ao redor de um ponto invisível, estrelas são destruídas e o plasma de seus detritos orbita em curvas agudas e trajetos fechados até desaparecer completamente.

É comum ouvirmos perguntas sobre a aplicação prática da astronomia em nossas vidas cotidianas. Além da lição de humildade contida em descobrir que nossos esforços são para nos tornarmos mestres temporários de uma parte de um grão de poeira, a pergunta é legítima e tem uma resposta objetiva. Mas, para apreciá-la por inteiro, é importante entendermos a jornada que o estudo dos astros teve de percorrer até poder nos revelar o invisível

O nascimento dos gigantes massivos

Sir James Isaac Newton, um dos criadores da física moderna | Foto: Reprodução

As estrelas devem ter sido os primeiros objetos observados por conta de seu brilho. Sir Isaac Newton teorizou que a força de atração exercida por qualquer objeto – a gravidade – depende diretamente da massa e inversamente ao quadrado da distância que se encontram. As estrelas são esferas de gás tão massivas e quentes que seus átomos mais simples e abundantes são jogados uns contra os outros e entram em fusão. O processo libera a energia que recebemos em forma de luz e radiação na Terra.

Enquanto a gravidade puxa a estrela para dentro de si mesma, a fusão nuclear compensa agitando os átomos, que se chocam e empurram-se de volta. Entretanto, esses corpos têm fases de vida. Tomemos como exemplo o Sol, que em sua juventude funde quatro átomos de hidrogênio em um de hélio em seu núcleo. As cinzas dessa reação se aglutinam em um corpo inerte cada vez maior. Quando o hidrogênio se tornar escasso, o Sol passará a fundir hélio em carbono. As maiores estrelas têm massa o suficiente para fundir átomos até formar ferro.

Se o núcleo da estrela tiver até 1,4 a massa do sol quando ela se tornar incapaz de fundir elementos, a estrela se transforma de um modo violento. O núcleo deixa de reagir, as camadas mais externas passam a produzir luz e, como resultado, a convecção (o mesmo princípio que explica a subida dos balões de ar quente) fará com que suas partes exteriores sejam ejetadas.

O Sol continuará brilhando por cerca de 5 bilhões de anos, quando então crescerá e engolirá os primeiros planetas (a Terra entre eles). Um bilhão de anos depois desse estágio, a atmosfera superior irá se desfazer pelo espaço, ejetada em uma estrutura chamada nebulosa planetária. O que sobrará do Sol será seu núcleo, formado de carbono e hélio, do tamanho da Terra, que resfriará gradativamente formando uma Anã Branca.

Imagem feita pelo Telescópio Hubble de Sirius A e Sirius B
Sirius A (estrela maior) e Sirius B (ponto de luz na parte inferior esquerda). Sirius B é uma Anã Branca | Foto: Reprodução / Telescópio Hubble

As Anãs Brancas são artefatos massivos e pequenos do que já foram as estrelas. Elas não colapsam ainda mais sob sua própria gravidade por conta da estrutura dos elétrons, que se repelem entre si. As eletrosferas dos elementos são a principal razão pela qual nós não podemos atravessar paredes, mesmo que a maior parte de nossos átomos seja composta por espaço vazio.

Entretanto, se o núcleo da estrela em questão tiver de 1,4 a 3,5 vezes a massa do nosso Sol, nem as eletrosferas conseguem suportar a gravidade e o astro se compacta ainda mais. Elétrons “caem” nos núcleos atômicos e se ligam com os prótons, formando uma estrela feita exclusivamente de nêutrons.

Como o tamanho da eletrosfera é dez mil vezes o tamanho do núcleo dos átomos, e as estrelas de nêutrons não têm eletrosferas, essa esfera tem o tamanho aproximado de dez quilômetros de diâmetro, mas uma massa enorme. Ela é detida de se comprimir ainda mais apenas pelo contato de um núcleo com o outro. Para as estrelas cujo núcleo morre com mais de 3,5 massas solares, nada é capaz de deter sua compactação a um ponto infinitamente pequeno.

O ponto invisível

Apesar de Sir Isaac Newton ter entendido a gravidade como uma força, Albert Einstein a interpretou como uma deformação no espaço. Os corpos distorcem uma dimensão do espaço como uma bola de boliche colocada sobre uma cama distorce o colchão. Bolinhas de gude colocadas sobre essa cama serão atraídas para o “buraco” formado pelo peso maior.

Representação da gravidade de um buraco negro
Professor Dan Burns ajuda a visualizar como a gravidade distorce o espaço | Foto: Reprodução / YouTube

Se quisermos arremessar a bolinha para o alto para que ela não caia mais na Terra, temos de jogá-la com mais de 40.000 km/h – essa velocidade é chamada de “velocidade de escape”. Se quisermos arremessar a bolinha para escapar da atração da Terra, temos de jogá-la a 44.000 km/h para longe – essa velocidade é chamada de “velocidade de escape”. Se quisermos fazer a bolinha de gude escapar de Júpiter, essa velocidade teria de ser seis vezes maior, pois Júpiter é um planeta muito mais massivo.

Seguindo o raciocínio, astrônomos teorizaram que haveria de existir um corpo com massa tão grande que nem a maior velocidade possível (a da luz) seria suficiente para escapar de sua atração. Como a gravidade depende da distância dos objetos, forma-se um volume negro ao redor deste objeto de onde nada escapa. Esse volume, chamado horizonte de eventos, é onde o espaço está deformado a tal ponto de a curvatura do próprio espaço-tempo fechar-se em si mesmo. O ponto onde toda a massa se concentra está oculto atrás do véu detrás do qual nenhuma informação escapa.

Entretanto, buracos negros são mal compreendidos. Eles não são aspiradores de pó espaciais que puxarão todo o universo para o esquecimento. Caso o Sol fosse substituído por um buraco negro de mesma massa, nós na Terra não notaríamos diferença alguma (além, claro, da falta de luz). Ao redor dos buracos negros orbitam estrelas, gases e talvez até planetas. No centro de cada galáxia há um buraco negro supermassivo que mantém as órbitas girando em seus eixos etéreos.

Procurando o invisível

Buracos negros emitem pouca radiação, por isso são quase invisíveis da Terra. Para observar corpos opacos na escuridão do espaço, dependemos da sorte de que passem em frente a algo brilhante, ou de evidências indiretas. Eles são massivos o suficiente para influenciar a órbita de estrelas próximas e, em troca, ser influenciados por elas. Algumas estrelas são arrastadas violentamente ao redor de buracos negros.

Como a astronomia efeito doppler

Diagrama explicativo do efeito Doppler na detecção de planetas | Foto: Reprodução / YouTube MIT News

Da mesma forma que o som de uma ambulância é diferente quando ela está se aproximando e se afastando, o observador percebe frequências diferentes na luz (que, como o som, é uma onda) que se aproxima e se afasta. Por conta deste fenômeno, chamado efeito Doppler, podemos analisar a luz de estrelas com espectroscópios e descobrir o quanto estão oscilando em função de um corpo em suas redondezas, mesmo que não o estejamos vendo. A partir daí, podemos calcular a massa e órbita do astro oculto, bem como a composição e idade da estrela pela assinatura de sua luz emitida.

Além disso, podemos presumir que há buracos negros supermassivos no centro de todas as galáxias de grande porte. O buraco negro no centro de nossa galáxia chama-se Sagittarius A* (pronuncia-se “sagitárius A estrela”) e é o supermassivo mais próximo, a 26 mil anos luz. Apesar de ter 4 milhões de vezes a massa do Sol, ele não é o mais apropriado de ser observado, pois se encontra no mesmo plano do disco da nossa galáxia. A espiral da via láctea tem gás e poeira que retém as ondas de rádio que utilizamos para “fotografar” os buracos negros.

A galáxia M87, por outro lado, é elíptica e não possui um disco de gás e poeira, de forma que não há detritos atrapalhando nossa observação. Além disso, o buraco negro no centro de M87 tem 6.5 bilhões de massas solares e é muito mais ativo. Como os buracos negros não emitem radiação que possamos captar, o que vimos com o telescópio EHT (sigla em inglês para “telescópio do horizonte de eventos”) na realidade é um anel de luz distorcido pela forte atração do buraco negro – o disco de luz é formado por objetos de fundo, cuja luz se curvou ao passar perto demais. Enquanto Sagittarius A* está pacífico, o buraco negro de M87 atualmente devora material e ejeta radiação e plasma na direção quase perpendicular ao disco luminoso fotografado até milhares de anos luz de distância, mas esse jato e o disco de material que está alimentando o buraco negro não podem ser vistos na frequência luminosa em que a imagem foi tirada.

Vendo o invisível

Representação de um buraco negro e suas partes
Ilustração representando partes de um buraco negro ativo
| Foto: Reprodução / NASA e ESA

A mancha escura no centro da imagem não é inteiramente o horizonte de eventos – este ocupa menos da metade da sombra. A distorção causada pela gravidade imensa deforma o espaço e mostra o que há atrás do astro, como uma lente.

Se dividíssemos a abóboda do céu em 180 graus, a área ocupada pelo buraco negro equivaleria a dez milionésimos de segundo de grau. A aproximação é a mesma necessária para ler um jornal em Paris observando de Nova York. Para fazer a imagem, foi necessário um telescópio do tamanho da Terra – oito deles em países diferentes, trabalhando juntos – capaz de captar ondas de rádio. As observações dos radiotelescópios duraram cinco noites e produziram cinco petabytes de dados.

As informações foram carregadas por avião e foram analisadas em supercomputador. Os dados foram utilizados para construir a primeira imagem já feita de um buraco negro. A partir da “fotografia”, será possível comprovar a massa do M87*, medir a quantidade e velocidade da matéria no disco de acreção, sua temperatura e a radiação emitida.

Ainda assim, o ganho científico da imagem talvez seja menor do que o ganho científico da técnica desenvolvida. É a primeira vez que concentramos tantos dados de observatórios diferentes, analisados em um supercomputador e envolvendo o esforço de cientistas de 20 países. O fruto dessa energia é o troféu na galeria científica – a comprovação visual do que foi primeiro teorizado, calculado, simulado, inferido pelo rigor do método científico anos atrás.

Rafael Santucci, o arqueólogo do céu

Rafael Santucci, astronomia UFG
Rafael Santtucci tabalha no planetário da UFG como pesquisador na área de astrofísica estelar | Foto: Fábio Costa / Jornal Opção

Rafael Santucci é professor do Instituto de Estudos Socioambientais (IESA) na Universidade Federal de Goiás (UFG). Graduado em física pela Universidade de São Paulo (USP), mestre e doutor na área de astrofísica estelar. Professor de pós-graduação e pesquisador na área de astrofísica estelar. Ele forneceu assessoria e revisão científica para a produção deste texto. Neste relato ao Jornal Opção, ele explica um pouco do seu trabalho:

“Eu busco e estudo objetos candidatos a serem os mais antigos do universo. Meu trabalho é fazer uma varredura de estrelas candidatas a serem pobres em metais, a ter uma composição mais simples, pois esses são os objetos que se formaram há mais tempo. Assim, podemos entender como foi a evolução química do universo e entender como surgiram as primeiras estrelas, quais foram suas condições físicas.

Procuramos em bases de dados estrelas com variações de cor que indiquem uma certa temperatura típica de composição pobre em metais. Reunimos esse tipo de objeto e usamos telescópios do mundo todo para fazer confirmações. No planetário da UFG temos uma sala de operação do Telescópio Soar, no Chile, e o usamos bastante para fazer triagens. Se verificamos que uma estrela é boa candidata, passamos aos telescópios de grande porte ou aos telescópios espaciais com instrumentos de alta resolução para estudá-las.

Nos primeiros minutos do nascimento do universo, o Big Bang gerou os elementos hidrogênio (75%), hélio (25%) e traços de lítio. Portanto, essa é a proporção química do princípio do universo e as primeiras estrelas são feitas disso. As estrelas que nascem hoje dispõem de elementos mais pesados fundidos por estrelas do passado. Por isso o grupo com que eu trabalho apelida essa área de arqueologia galáctica.

A identificação desses astros tem mudado a forma como entendemos a formação das primeiras estrelas. Até então, acreditávamos que a primeira geração havia produzido ferro, mas hoje encontramos estrelas que há elementos químicos um pouco mais pesados, mas não o ferro. Logo, a primeira geração não formou ferro quando explodiu. Como elas explodiram, que massa tinham, e quais processos levaram a sua morte têm sido revistos.

A vida de uma estrela depende de quanto gás ela conseguiu juntar ao nascer. Muito gás significa uma vida curta. É como uma panela de pressão: mais pressão e você cozinha os elementos de maneira mais rápida. Com 100 massas solares, a estrela vive cerca de dez milhões de anos; com um décimo da massa solar, vive mais ou menos um trilhão de anos. Nosso universo tem atualmente 13,8 bilhões de anos, então, se alguma estrela pouco massiva nasceu na segunda geração de estrelas, ela deve estar por aí e acreditamos que podemos encontrá-la”.

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