Os mistérios que cercam os maiores buracos negros do universo

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Eles são bilhões de vezes maiores que o nosso Sol, mas pouco se sabe ainda sobre como se formam e aumentam de tamanho.
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Por BBC
18/09/2021 10h45 Atualizado há uma hora
Postado em 18 de setembro de 2021 às 11h45m

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Buracos negros — Foto: Nasa

No meio do caminho entre as constelações de Delphinus, o golfinho, e Pegasus, o cavalo alado, um catavento imaculado se move pelo espaço.

Por bilhões de anos, os "braços" em espiral da galáxia UCG 11700 giraram pacificamente sem serem perturbados por colisões e fusões que deformaram outras galáxias.

No entanto, enquanto a UCG 11700 gira harmoniosamente no espaço, algo monstruoso se esconde em seu centro.

No coração dessa bela roda cósmica está um dos objetos mais misteriosos do universo: um buraco negro supermassivo.

Embora a massa dos buracos negros padrão seja cerca de quatro vezes a do nosso Sol, seus parentes gigantescos são milhões e, às vezes, bilhões de vezes mais massivos.

Os cientistas acreditam que quase todas as grandes galáxias têm um buraco negro supermassivo em seu coração, embora ninguém saiba como eles chegaram lá.

É neste sentido que a galáxia UCG 11700 pode ser útil.

"As galáxias ideais para o meu estudo são as espirais mais bonitas e perfeitas que você pode imaginar", diz Becky Smethurst, pesquisadora júnior da Universidade de Oxford, no Reino Unido, que estuda buracos negros supermassivos.

"As galáxias mais bonitas são aquelas que podem nos ajudar a desvendar o mistério de como estes buracos negros crescem", acrescenta.

Buracos negros — Foto: NASA/JPL-CALTECH

Estudar algo que por sua natureza é tão denso que nem sequer a luz consegue escapar do seu centro, dificulta o aprendizado.

Mas novas técnicas que analisam os efeitos que os buracos negros supermassivos têm sobre os objetos interestelares ao seu redor — e até mesmo as ondulações que criam no tecido espaço-tempo — estão fornecendo novas pistas.

Há um pequeno segredo sobre o quão convencional, se podemos chamar assim, é a maneira como um buraco negro aparece e cresce.

Uma estrela moribunda fica sem combustível, explode em uma supernova, colapsa sobre si mesma e se torna tão densa que nem sequer a luz consegue escapar de sua intensa gravidade.

A ideia de buracos negros existe há um século e foi prevista pela Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein.

Na cultura popular, os buracos negros são perfeitamente escuros e estão infinitamente famintos.

Eles atravessam o universo absorvendo tudo que encontram pela frente, se tornando maiores e mais vorazes à medida que fazem isso.

Uma vez resolvido o mistério, pode-se pensar: buracos negros supermassivos são simplesmente os mais famintos e mais antigos do tipo.

No entanto, os buracos negros não correspondem à sua reputação monstruosa.

São surpreendentemente ineficazes na acreção (termo científico para "absorção") do material circundante, mesmo em um núcleo galáctico denso.

Buracos negros — Foto: BBC

Na verdade, estrelas colapsadas crescem tão lentamente que não poderiam se tornar supermassivas simplesmente absorvendo material novo.

"Suponhamos que as primeiras estrelas formaram buracos negros cerca de 200 milhões de anos após o Big Bang", diz Smethurst.

"Depois que colapsaram, tiveram cerca de 13,5 bilhões de anos para fazer seu buraco negro crescer até bilhões de vezes a massa do Sol. É um tempo demasiado curto para torná-lo tão grande apenas com a absorção de material", acrescenta.

Ainda mais intrigante é saber que buracos negros supermassivos já existiam quando o universo ainda estava em sua relativa infância.

Os quasares distantes, alguns dos objetos mais brilhantes no céu noturno, são na verdade antigos buracos negros supermassivos que incendiaram os núcleos de galáxias moribundas.

Alguns desses gigantes existem pelo menos desde que o universo tinha apenas 670 milhões de anos, numa época em que estavam se formando algumas das galáxias conhecidas mais antigas.

Enquanto o coração de um buraco negro permanece desconhecido para observadores externos, os buracos negros supermassivos podem brilhar mais forte do que uma galáxia inteira de estrelas — e podem até "arrotar" radiação ultravioleta enquanto consomem material ao seu redor.

Jatos de luz escapando do buraco negro no centro da galáxia M87 — Foto: EHT COLLABORATION

Os buracos negros possuem uma fronteira esférica, conhecida como "horizonte de eventos". Dentro desta esfera, a luz, a energia e a matéria estão inevitavelmente presas.

O espaço e o tempo se dobram sobre si mesmos, e as leis das física que descrevem como funciona a maior parte do nosso universo não podem ser aplicadas.

Mas, fora do horizonte de eventos, um buraco negro giratório pode transformar o material próximo em um disco giratório superaquecido.

Atingindo temperaturas superiores a 10 milhões de °C, o disco de acreção em um quasar libera radiação de brilho ofuscante em todo o espectro eletromagnético.

"Os buracos negros são os motores mais eficazes e eficientes do universo", diz Marta Volonteri, pesquisadora de buracos negros do Instituto de Astrofísica de Paris, na França.

"Eles transformam massa em energia com uma eficiência de até 40%. Se você pensar em qualquer coisa que queimamos com carbono, ou energia química, ou até mesmo o que acontece nas estrelas, é apenas uma pequena fração do que produz um buraco negro".

Os buracos negros supermassivos despertam o interesse dos cientistas não apenas por sua eficiência energética. Sua formação e evolução estão claramente conectadas com o desenvolvimento das galáxias e, de uma forma mais ampla, com a história e estrutura de todo o nosso universo.

Resolver o mistério desses gigantes cósmicos representaria um passo significativo no esforço contínuo dos cientistas para entender por que as coisas são como são.

A liberação de energia é uma das muitas maneiras pelas quais os buracos negros revelam seus segredos.

Buracos negros — Foto: PA MEDIA

Quando os buracos negros se fundem ou colidem com objetos ligeiramente menos densos, como estrelas de nêutrons, os eventos criam ondulações no espaço-tempo, chamadas ondas gravitacionais.

Estas ondas se movem pelo cosmos na velocidade da luz e foram detectadas pela primeira vez na Terra em 2015.

Desde então, grandes centros como o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferometria a Laser (Ligo, na sigla em inglês), nos Estados Unidos, e o observatório Virgo, perto de Pisa, na Itália, têm compilado as ondas geradas por essas colisões.

Mas embora esses observatórios usem instrumentos que medem vários quilômetros de extensão, eles só conseguem detectar ondas de buracos negros de tamanhos relativamente modestos.

"O Ligo detectou fusões de até cerca de apenas 150 massas solares", diz Nadine Neumayer, que lidera o grupo de pesquisa Galactic Nuclei do Instituto Max Planck de Astronomia, na Alemanha.

"Há uma lacuna nos dados sobre o que a gente chama de 'buracos negros de massa intermediária', de umas 10 mil massas solares mais ou menos. E essas, na verdade, poderiam ser as sementes dos buracos negros supermassivos."

A especialista sugere que buracos negros de massa intermediária podem ter se formado no universo muito cedo, a partir do colapso de nuvens de gás gigantes ou colisões descontroladas de estrelas.

No ambiente exíguo do universo jovem, as sucessivas colisões entre esses buracos negros de tamanho médio, combinadas com um rápido acúmulo de material circundante, poderiam ter acelerado seu crescimento até escalas supermassivas.

Ainda assim, a teoria da semente do buraco negro de massa intermediária tem problemas. O pequeno universo incipiente também era muito quente.

Geração atual de instrumentos de observação começou a preencher as lacunas — Foto: CLAUDIO GIOVANNINI/AFP/GETTY IMAGES

As nuvens de gás teriam sido banhadas em radiação, possivelmente dando a elas muita energia para colapsar sobre si mesmas.

Mesmo em um cosmos denso, as leis da física também limitam a velocidade máxima na qual os buracos negros podem absorver matéria.

Volonteri diz que qualquer explicação atual para buracos negros supermassivos tem "gargalos e inconvenientes" que impedem os cientistas de chegar a uma resposta definitiva.

"As teorias que envolvem o que chamamos de 'processos dinâmicos', o que significa que um buraco negro se forma a partir de muitas, muitas estrelas em vez de apenas uma, são possíveis, mas esses processos devem acontecer sob condições muito específicas", explica.

"Há também teorias sobre 'buracos negros primordiais', que poderiam ter existido e começado a crescer antes das estrelas. Mas este é um território completamente desconhecido. Não temos nenhuma evidência observacional para provar esse princípio", acrescenta.

Volonteri diz que é fascinada pela física dos processos dinâmicos, mas reconhece que é muito difícil para a teoria prever com credibilidade algo que cresça mais do que cerca de 1 mil massas solares.

"Quando você leva em consideração os quasares que já tinham um bilhão de massas solares quando o universo tinha um bilhão de anos, é muito difícil chegar a esses números", afirma.

Ela acredita que a verdadeira história de como os buracos negros supermassivos surgiram ainda não foi contada.

"Quanto mais investigamos, mais descobrimos que existem problemas que achávamos que havíamos entendido. Está faltando algo fundamental", sugere.

A geração atual de instrumentos de observação começou a preencher as lacunas. O Virgo, o Ligo e observatórios semelhantes estão fornecendo "informações demográficas" cada vez mais profundas sobre o tamanho, a idade e a localização da população de buracos negros do Universo.

Mas para completar os dados sobre buracos negros supermassivos, os pesquisadores vão precisar de detectores ainda maiores.

Na década de 2030, a Nasa e a Agência Espacial Europeia (ESA, na sigla em inglês) vão lançar a ambiciosa Antena Espacial de Interferometria a Laser (LISA, na sigla em inglês), composta por três satélites voando em um triângulo com lados de 2,5 milhões de quilômetros de comprimento.

Buraco negro — Foto: NASA/ASC/ESA

Esse detector funcionará com princípios semelhantes aos do Ligo e Virgo, mas sua enorme escala permitirá que detecte ondas gravitacionais de buracos negros muito grandes, além do alcance da tecnologia existente.

Mas há outras maneiras mais diretas de ver os buracos negros.

O telescópio Event Horizons capturou recentemente as primeiras imagens de buracos negros, tirando esses objetos misteriosos das sombras e revelando mais sobre sua natureza e os efeitos de sua gravidade e magnetismo nas galáxias que habitam.

Os astrofísicos também podem rastrear o movimento das estrelas em órbitas próximas ao redor dos buracos negros no núcleo galáctico, extrapolando informações sobre objetos massivos em seu centro.

A maioria das observações desse tipo é baseada em telescópios terrestres que usam uma tecnologia chamada "óptica adaptativa".

Os observadores analisam uma estrela brilhante (ou um raio laser gerado por humanos) para medir as distorções atmosféricas que, de outra forma, reduziriam a qualidade da imagem.

Os sinais controlados por computador corrigem estas distorções fazendo pequenos ajustes na forma física do espelho do telescópio.

O resultado são observações precisas do coração de galáxias a bilhões de anos-luz de distância e uma grande quantidade de dados sobre seus buracos negros supermassivos.

Neumayer foi uma das primeiras cientistas a usar óptica adaptativa para estudar os núcleos galácticos.

"É simplesmente incrível que você possa ter uma resolução melhor da Terra do que a partir do Telescópio Espacial Hubble", diz ela.

"Trabalhei na medição de massas específicas de buracos negros. Há uma correlação forte: quanto mais massa uma galáxia tem, mais massivo é seu buraco negro supermassivo central."

Apesar desta correlação, não há evidências claras de que galáxias massivas criem buracos negros massivos ou vice-versa. Eles estão conectados, mas a natureza dessa conexão permanece sendo um mistério.

Parte da explicação pode envolver colisões entre galáxias.

A maioria dos dois trilhões de galáxias observáveis ​​no universo está se afastando uma da outra, mas muitas colisões acontecem, gerando oportunidades para dois buracos negros centrais muito grandes se fundirem em algo ainda maior.

Não há evidências claras de que galáxias massivas criem buracos negros massivos ou vice-versa. Eles estão conectados, mas a natureza dessa conexão permanece sendo um mistério — Foto: Getty Images

Alguns cientistas acreditam que esta pode ser a forma como os buracos negros supermassivos realmente monstruosos se formam.

Quando buracos negros estelares comparativamente pequenos colidem, eles liberam enormes quantidades de energia por uma fração de segundo, produzindo um clarão tão brilhante que ofusca brevemente tudo que está no céu.

Um evento semelhante envolvendo buracos negros supermassivos seria um dos eventos mais cataclísmicos que poderia ser detectado no céu noturno.

No entanto, embora os cientistas suspeitem que as fusões de buracos negros supermassivos ocorram, elas podem ser menos comuns devido a outro aspecto problemático da dinâmica dos buracos negros.

Os buracos negros em trajetória de colisão giram em torno uns dos outros com mais velocidade à medida que se aproximam. Mas buracos negros muito grandes alcançam um ponto a cerca de um parsec (3,26 anos-luz) de distância, em que sua velocidade orbital começa a equilibrar a atração gravitacional.

A degradação de suas órbitas ocorreria tão lentamente que a fusão em si não aconteceria na idade atual do universo.

No entanto, os físicos acreditam que essas fusões realmente acontecem, o que requer novas teorias de como superar o chamado "problema parsec final".

É necessário algum tipo de força ou energia adicional para juntar os buracos negros em órbita.

O universo está repleto de galáxias que acredita-se terem sido formadas por fusões, incluindo nossa própria Via Láctea, o que sugere que isso acontece.

Quando as galáxias colidem, sua estrutura espiral original é destruída à medida que estrelas, nuvens de gás, matéria escura e buracos negros interagem. Até mesmo um atrito entre galáxias pode desestabilizar suas estruturas, tornando-as fáceis de detectar.

Mas isso significa que buracos negros supermassivos encontrados no centro de galáxias catavento imaculadas, como a UCG11700, não podem ser explicados em termos de colisões. Suas estruturas sugerem que nunca se aproximaram de outra galáxia.

"Seleciono galáxias muito raras que estiveram sozinhas por toda a sua existência, que estiveram muito, muito isoladas no universo", diz Becky Smethurst.

"Com elas, podemos ter certeza de que o buraco negro em seu centro nunca cresceu ao se fundir com outra coisa."

Isso significa que devem ter se formado de outra maneira.

Buracos negros — Foto: REUTERS/NASA/JPL/CALTECH

Smethurst trabalha retroativamente para determinar quão grandes esses buracos negros devem ter sido no início para atingir seu tamanho atual.

Seus melhores modelos indicam que um buraco negro que se formou no início do universo de entre 1 mil e 10 mil massas solares pode ser suficiente — números que se enquadram nas teorias de Neymayer de buracos negros "sementes" de tamanho intermediário.

Mas esses buracos negros provavelmente não são provenientes de estrelas em colapso.

Os astrofísicos também estão analisando a possibilidade de que os buracos negros supermassivos se formem diretamente da matéria escura, o misterioso material que mantém as galáxias unidas.

Mas a matéria escura, um tipo teórico de partícula que interage com a gravidade, mas é invisível à luz e ao eletromagnetismo, é por si só muito mal compreendida.

A combinação dos mistérios dos buracos negros e da matéria escura apenas torna a física mais complexa.

"Ainda há muito que não sabemos", diz Smethurst.

"Acho que seria arrogante da nossa parte concluir que a única maneira de formar um buraco negro é por meio de uma supernova, porque não sabemos disso com certeza."

"Talvez a explicação seja algo completamente impensável até agora. Aguardo ansiosamente o dia em que o universo nos surpreenderá com a resposta. Acho que será um grande dia para a ciência."

Instrumentos de observação mais avançados estão a caminho.

Neste ano, a Nasa planeja lançar o Telescópio Espacial James Webb (embora exista atualmente uma campanha para mudar o nome do instrumento devido às políticas homofóbicas impostas pelo diretor de mesmo nome da Nasa), cujo tamanho e capacidade sensorial sem precedentes o tornarão uma valiosa ferramenta na pesquisa de buracos negros supermassivos.

A missão Lisa, quando lançada, também proporcionará aos cientistas novas maneiras de observar buracos negros supermassivos por meio de suas ondas gravitacionais.

Esta foi a primeira imagem da M87, que também foi a primeira imagem de um buraco negro — Foto: EHT

Outros cientistas estão criando mapas cada vez mais detalhados dos lugares, movimentos, formas e tamanhos de milhões de galáxias, alimentando as pesquisas tanto de observadores quanto de teóricos.

"O ritmo de trabalho é simplesmente fenomenal", afirma Smethurst.

"Temos o equivalente a 100 anos de pesquisas sobre buracos negros. Mas em comparação aos 14 bilhões de anos que o universo existe, não é suficiente para resolver todos os mistérios. Me proponho a responder uma pergunta e termino com mais cinco . E tudo bem".

Neumayer concorda com Smethurst que as descobertas mais fascinantes sobre buracos negros provavelmente terão a ver com perguntas que ninguém fez.

"Tem sido um século incrível de desenvolvimentos técnicos que tornaram essas descobertas possíveis", diz a cientista.

"Conhecemos muitos problemas que queremos resolver. Mas também veremos coisas novas que nem sequer podemos imaginar. E acho isso incrível."

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