3 enormes perguntas que a imagem do buraco negro não respondeu

Uma rede internacional de radiotelescópios produziu a primeira imagem em close da sombra de um buraco negro, que os cientistas revelaram esta manhã (10 de abril). A colaboração, chamada Event Horizon Telescope, confirmou décadas de previsões de como a luz se comportaria em torno desses objetos escuros e preparou o terreno para uma nova era da astronomia de buracos negros.

"De uma escala de zero a incrível, foi incrível", disse Erin Bonning, uma astrofísica e pesquisadora de buracos negros da Emory University que não esteve envolvida no esforço de imagem.

"Dito isso, era o que eu esperava", disse ela .

O anúncio, feito com cerca de uma semana e meia de antecedência, conseguiu ser incrivelmente emocionante e quase completamente desprovido de detalhes surpreendentes ou novas físicas. A física não quebrou. Nenhuma característica inesperada de buracos negros foi revelada. A imagem em si era quase uma combinação perfeita para ilustrações de buracos negros que estamos acostumados a ver na ciência e na cultura pop. A grande diferença é que é muito mais borrado. [9 fatos estranhos sobre buracos negros]

Houve várias questões importantes relacionadas aos buracos negros que permaneceram sem solução, no entanto, Bonning disse.

Como os buracos negros produzem seus enormes jatos de matéria quente e rápida?

Todos os buracos negros supermassivos têm a capacidade de mastigar matéria próxima, absorver a maior parte dela além de seus horizontes de eventos e cuspir o restante no espaço quase à velocidade da luz em torres em chamas que os astrofísicos chamam de "jatos relativísticos".

E o buraco negro no centro de Virgo A (também chamado de Messier 87) é famoso por seus jatos impressionantes, expelindo matéria e radiação por todo o espaço. Seus jatos relativísticos são tão grandes que podem escapar totalmente da galáxia circundante.

E os físicos sabem os traços gerais de como isso acontece: o material acelera a velocidades extremas à medida que cai no poço gravitacional do buraco negro, então parte dele escapa enquanto retém essa inércia. Mas os cientistas discordam sobre os detalhes de como isso acontece. Esta imagem e os documentos associados ainda não oferecem quaisquer detalhes.

Descobrir isso, Bonning disse, será uma questão de conectar as observações do Telescópio Event Horizons - que cobrem uma quantidade bastante pequena de espaço - com as imagens muito maiores de jatos relativísticos.

Embora os físicos ainda não tenham respostas, ela disse, há uma boa chance de que elas apareçam logo - especialmente quando a colaboração produzir imagens de seu segundo alvo: o buraco negro supermassivo de Sagitário A * no centro de nossa própria galáxia, que não produz jatos como o de Virgem A. Comparar as duas imagens, disse ela, pode oferecer alguma clareza.

Como a relatividade geral e a mecânica quântica se encaixam?

Sempre que os físicos se reúnem para falar sobre uma nova descoberta realmente empolgante, você pode esperar ouvir alguém sugerir que isso pode ajudar a explicar a "gravidade quântica".

Isso porque a gravidade quântica é a grande incógnita da física. Por cerca de um século, os físicos trabalharam usando dois conjuntos diferentes de regras: a relatividade geral, que cobre coisas muito grandes como a gravidade, e a mecânica quântica, que cobre coisas muito pequenas. O problema é que esses dois livros de regras se contradizem diretamente. A mecânica quântica não pode explicar a gravidade e a relatividade não pode explicar o comportamento quântico.

Algum dia, os físicos esperam ligar os dois em uma grande teoria unificada, provavelmente envolvendo algum tipo de gravidade quântica.

E antes do anúncio de hoje, houve especulações de que poderia incluir algum avanço sobre o assunto. (Se as previsões da relatividade geral não tivessem sido confirmadas na imagem, isso teria feito a bola avançar.) Durante uma coletiva de imprensa da National Science Foundation, Avery Broderick, um físico da Universidade de Waterloo, no Canadá, e um colaborador no projeto, sugeriu que esse tipo de resposta pode vir.

Mas Bonning era cético quanto a essa afirmação. Esta imagem não era nada surpreendente do ponto de vista da relatividade geral, então não oferecia nenhuma nova física que pudesse fechar a lacuna entre os dois campos, disse Bonning.

Ainda assim, não é loucura que as pessoas esperem respostas desse tipo de observação, disse ela, porque a borda da sombra de um buraco negro traz forças relativísticas para pequenos espaços de tamanho quântico.

"Esperamos ver a gravidade quântica muito, muito perto do horizonte de eventos ou muito, muito no início do universo [quando tudo estava embalado em um espaço minúsculo]", disse ela.

Mas na resolução ainda embaçada do Telescópio Event Horizons, ela disse, não é provável que encontremos esses tipos de efeitos, mesmo com atualizações planejadas chegando.

As teorias de Stephen Hawking eram tão corretas quanto as de Einstein?

A maior contribuição do início de carreira do físico Stephen Hawking para a física foi a ideia da "radiação Hawking" - que os buracos negros não são realmente negros, mas emitem pequenas quantidades de radiação com o tempo. O resultado foi extremamente importante, porque mostrou que uma vez que um buraco negro para de crescer, ele começará a encolher muito lentamente com a perda de energia.

Mas o Event Horizons Telescope não confirmou ou negou esta teoria, Bonning disse, não que alguém esperasse que.

Buracos negros gigantes como o de Virgem A, disse ela, emitem apenas quantidades mínimas de radiação Hawking em comparação com seu tamanho total. Enquanto nossos instrumentos mais avançados agora podem detectar as luzes brilhantes de seus horizontes de eventos, há pouca chance de que eles vão revelar o brilho ultra-fraco da superfície de um buraco negro supermassivo.

Esses resultados, disse ela, provavelmente virão dos menores buracos negros - objetos teóricos, de vida curta, tão pequenos que você pode encerrar todo o horizonte de eventos em suas mãos. Com a oportunidade de observações de perto e muito mais radiação disponível em comparação com seu tamanho total, os humanos podem eventualmente descobrir como produzir ou encontrar um e detectar sua radiação.

Então, o que realmente aprendemos com esta imagem?

Primeiro, os físicos aprenderam que Einstein estava certo, mais uma vez. A borda da sombra, até onde o Event Horizons Telescope pode ver, é um círculo perfeito, assim como os físicos do século 20 que trabalharam com as equações da relatividade geral de Einstein previram.

"Não acho que ninguém deva se surpreender quando mais um teste de relatividade geral passar", disse Bonning. "Se eles tivessem entrado no palco e dito que a relatividade geral havia se quebrado, eu teria caído da cadeira."

O resultado com implicações práticas mais imediatas, disse ela, foi que a imagem permitiu aos cientistas medir com precisão a massa desse buraco negro supermassivo, que fica a 55 milhões de anos-luz de distância, no coração da galáxia A de Virgem. É 6,5 bilhões de vezes mais massivo que nosso sol.

Isso é um grande negócio, disse Bonning, porque pode mudar a maneira como os físicos pesam os buracos negros supermassivos no coração de outras galáxias mais distantes ou menores.

No momento, os físicos têm uma medição bastante precisa da massa do buraco negro supermassivo no coração da Via Láctea, disse Bonning, porque eles podem observar como sua gravidade move estrelas individuais em sua vizinhança..

Mas em outras galáxias, nossos telescópios não podem ver os movimentos de estrelas individuais, disse ela. Portanto, os físicos estão presos a medições mais rudes: como a massa do buraco negro influencia a luz proveniente de diferentes camadas de estrelas na galáxia ou como sua massa influencia a luz proveniente de diferentes camadas de gás flutuante na galáxia.

Mas esses cálculos são imperfeitos, disse ela.

"Você tem que modelar um sistema muito complexo", disse ela.

E os dois métodos acabam produzindo resultados um tanto diferentes em cada galáxia que os físicos observam. Mas pelo menos para o buraco negro em Virgem A, agora sabemos que um método é o correto.

"Nossa determinação de 6,5 bilhões de massas solares acaba caindo bem em cima da determinação de massa mais pesada [da luz que vem das estrelas]", disse Sera Markoff, astrofísica da Universidade de Amsterdã e colaboradora do projeto em entrevista coletiva.

Isso não significa que os físicos irão simplesmente adotar essa abordagem para medir as massas dos buracos negros, disse Bonning. Mas oferece um ponto de dados importante para refinar cálculos futuros.

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