Pergunte a Ethan: Como deve ser o horizonte de eventos do buraco negro?

Imagem de um buraco negro. Apesar de sua cor escura, acredita-se que todos os buracos negros foram formados a partir de matéria comum, mas essas ilustrações não são totalmente precisas.

Em abril de 2017, telescópios ao redor do mundo coletaram simultaneamente dados sobre o buraco negro central da Via Láctea. De todos os buracos negros conhecidos no universo, aquele localizado no centro da galáxia - Sagitário A * - é especial. Do nosso ponto de vista, seu horizonte de eventos é o maior buraco negro disponível para nós. É tão grande que os telescópios localizados em diferentes lugares da Terra precisariam vê-lo se todos o olhassem simultaneamente. Embora levem meses para combinar e analisar os dados obtidos de diferentes telescópios, até o final de 2017, devemos ter nossa primeira imagem do horizonte de eventos. Então, como ele deveria parecer? Esta pergunta é feita por um de nossos leitores, confusa nas ilustrações:

O horizonte de eventos não deveria cercar completamente o buraco negro à maneira de uma casca de ovo? Todos os artistas pintam buracos negros na forma de ovos cozidos. Por que o horizonte de eventos não envolve completamente o buraco negro?

Obviamente, na Internet você pode encontrar ilustrações de vários tipos. Mas quais estão corretas?


Desenhando com um círculo preto simples e um anel ao seu redor - uma imagem simplificada demais do horizonte de BH

O tipo mais antigo de ilustração é um disco preto simples que cobre toda a luz por trás dele. Isso faz sentido se você se lembrar do que é o BH: na verdade, é uma massa coletada em um local tão grande e compacto que a velocidade de fuga de sua superfície excede a velocidade da luz. Como nada pode se mover tão rápido, até a transferência de interações entre partículas dentro da BH, dentro da BH, cai para uma singularidade, e um horizonte de eventos se forma em torno da BH. A luz não pode escapar desta parte esférica do cosmos, e é por isso que deve parecer de qualquer perspectiva, como um círculo preto sobreposto ao fundo do Universo.


BH não é apenas massa sobre um fundo isolado, tem efeitos gravitacionais que esticam, aumentam e distorcem a luz devido às lentes gravitacionais.

Mas essa não é a história toda. Devido à gravidade, as BHs aumentam e distorcem a luz vinda do verso devido ao efeito das lentes gravitacionais. Existem ilustrações mais precisas e detalhadas da aparência do BH, e ele ainda possui um horizonte de eventos cujo tamanho é comparado corretamente com a curvatura do espaço de acordo com GR.

Infelizmente, essas ilustrações não apresentam desvantagens: elas não levam em consideração o material na frente do buraco negro e o disco de acúmulo ao redor do buraco negro. Algumas imagens incluem isso.


A imagem de uma BH ativa, ocupada pelo acúmulo de matéria e pela aceleração de sua parte na forma de dois jatos perpendiculares, pode descrever a BH no centro de nossa galáxia corretamente de muitos pontos de vista.

Devido aos enormes efeitos gravitacionais, os buracos negros formam discos de acúmulo na presença de outras fontes de matéria. Asteróides, nuvens de gás e estrelas inteiras podem ser despedaçadas pelas forças das marés que emanam de objetos maciços como buracos negros. Devido à conservação do momento angular e devido a colisões entre várias partículas que caem na BH, um objeto em forma de disco aparece ao seu redor, que aquece e irradia. Nas regiões internas, partículas periodicamente caem no buraco negro, o que aumenta sua massa, e o material à sua frente cobre parte da esfera que você veria de outra forma.

Mas o próprio horizonte de eventos é opaco e você não deve ver a matéria por trás dele.


No buraco negro do filme interestelar, o horizonte de eventos para uma classe especial de BHs rotativas é mostrado com muita precisão

Você pode se surpreender que no filme de Hollywood Interstellar BH seja retratado com mais precisão do que em muitas imagens profissionais criadas na ou para a NASA. Mas mesmo entre os profissionais, existem muitos conceitos errados sobre BH. As BHs não sugam matéria, mas apenas exercem um efeito gravitacional. As BHs não separam objetos devido a alguma força adicional - forças simples de maré fazem isso quando uma parte do objeto em queda está mais próxima do centro do que a outra. E, o mais importante, as BHs raramente existem em um estado “vazio” e geralmente estão localizadas perto de outras matérias, como a que existe no centro de nossa galáxia.


Imagem composta de BH Sagitário A * no centro da nossa galáxia, composta por raios-x e raios infravermelhos. Possui uma massa de 4 milhões de energia solar e é cercada por gases quentes emitidos na faixa de raios-x

Consciente de tudo isso, lembremos que tipo de imagens de ovos cozidos são? Lembre-se de que a própria BH não pode ser representada, pois não emite luz. Só podemos observar em um certo intervalo de comprimentos de onda e ver uma combinação de luz que passa pela BH por trás, curvando-se ao redor e na frente dela. E o sinal resultante realmente se parecerá com um ovo cozido, cortado ao meio.


Alguns dos possíveis sinais do horizonte de eventos de BH obtidos nas simulações do projeto " Event Horizon Telescope "

O negócio é exatamente o que fotografamos. Não podemos observar na faixa de raios-x, porque existem muito poucos fótons. Não podemos observar na luz visível, pois o centro da galáxia é opaco para ela. E não podemos observar na luz infravermelha, porque a atmosfera bloqueia esses raios. Mas podemos observar no alcance do rádio e fazê-lo em todo o mundo, ao mesmo tempo, para obter a melhor resolução possível.


Partes do "Event Horizon Telescope" de um hemisfério

O tamanho angular da BH no centro da galáxia é de aproximadamente 37 microssegundos angulares, e a resolução do telescópio é de 15 microssegundos angulares, portanto devemos poder vê-lo! A maior parte da radiação de radiofrequência vem de partículas carregadas de matéria, acelerando em torno da BH. Não sabemos como o disco será orientado, se haverá vários discos, se será mais como um enxame de abelhas ou como um disco compacto. Também não sabemos se ele preferiria um “lado” da BH, do nosso ponto de vista, para o outro.


Cinco simulações diferentes na relatividade geral usando o modelo magneto-hidrodinâmico do disco de acreção de buracos negros e como o sinal recebido será exibido

Esperamos encontrar um horizonte de eventos real, com um determinado tamanho, bloqueando toda a luz que vem por trás dele. Também esperamos a presença de algum sinal localizado à sua frente, a irregularidade desse sinal devido a uma confusão em torno do buraco negro, e que a orientação do disco em relação ao buraco negro determine o que exatamente você pode ver.

Uma parte ficará mais brilhante quando o disco girar em nossa direção. O outro lado fica mais escuro quando o disco gira para longe de nós. O contorno do horizonte de eventos também pode ser visível devido a lentes gravitacionais. Mais importante, a localização do disco em nossa direção com uma borda ou plano afetará bastante a natureza do sinal recebido, como pode ser visto nos primeiro e terceiro quadrados da figura abaixo.


A localização do disco em nossa direção com uma aresta (dois quadrados à direita) ou um plano (dois quadrados à esquerda) afetará bastante o que BH veremos

Podemos verificar outros efeitos, a saber:

• O BH tem o tamanho previsto por GR,
• se o horizonte de eventos é redondo (como previsto), alongado ou achatado nos polos,
• a emissão de rádio se estende além do que pensamos

ou ainda existem alguns desvios do comportamento esperado. Este é um novo passo na física, e estamos à beira de sua verificação direta. Uma coisa é clara: não importa o que o "Event Horizon Telescope" veja, nós definitivamente aprenderemos algo novo e bonito sobre um dos objetos e condições mais extremos do Universo!

Ethan Siegel - astrofísico, popularizador da ciência, autor de Starts With A Bang! Ele escreveu os livros "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ] e "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].