Quão perto você pode chegar de um buraco negro?

Fluxos de gás caem para o seu destino, mergulhando em buracos negros, isolados do universo para sempre. Em seus momentos finais, esses fragmentos gasosos enviam um último clarão de luz, algumas das emissões mais brilhantes do universo. 

Esses mergulhos mortais estão muito distantes para serem vistos diretamente, mas os astrônomos desenvolveram uma nova técnica para detectar seus gritos de pânico por socorro. Eles estão usando o método para testar nosso conhecimento da gravidade nos ambientes mais extremos do universo.

Em um novo estudo, os físicos analisaram características específicas dessa luz para descobrir o mais próximo que você pode chegar de um buraco negro sem ter que trabalhar duro para evitar um desastre - um limite chamado de órbita circular estável mais interna ou ISCO. Os pesquisadores descobriram que seu método poderia funcionar com telescópios de raios-X mais sensíveis entrando online. 

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Sobre a cachoeira

O horizonte de eventos de um buraco negro é a linha invisível na areia pela qual você nunca pode retornar. Depois que qualquer coisa passa pelo horizonte de eventos, mesmo a própria luz, ela não pode mais retornar ao universo. A gravidade do buraco negro é muito forte nessa região.

Fora de um buraco negro, entretanto, tudo é simplesmente elegante. Um buraco negro particular terá uma certa massa (em qualquer lugar de algumas vezes a massa do sol para os menores na galáxia até bilhões de vezes mais pesado para os verdadeiros monstros que vagam pelo cosmos), e orbitar o buraco negro é como orbitando qualquer outra coisa de massa idêntica. Gravidade é apenas gravidade, e órbitas são órbitas.

Na verdade, muitas coisas no universo orbitam em torno de buracos negros. Depois que esses aventureiros temerários são pegos no abraço gravitacional do buraco negro, eles começam a jornada em direção ao fim. Conforme o material cai em direção ao buraco negro, ele tende a ficar comprimido em uma faixa fina conhecida como disco de acreção. Esse disco gira e gira, com calor, fricção e forças magnéticas e elétricas o energizando, fazendo com que o material brilhe intensamente.

No caso dos buracos negros mais massivos, os discos de acreção ao redor deles brilham tão intensamente que recebem um novo nome: núcleos galácticos ativos (AGN), capazes de ofuscar milhões de galáxias individuais.

No disco de acreção, pedaços individuais de material esfregam-se contra outros pedaços, drenando-lhes a energia rotacional e conduzindo-os sempre para dentro da boca aberta do horizonte de eventos do buraco negro. Mas, ainda assim, se não fosse por essas forças de atrito, o material seria capaz de orbitar ao redor do buraco negro perpetuamente, da mesma forma que os planetas podem orbitar ao redor do sol por bilhões de anos.

Um pedido de ajuda

À medida que você se aproxima do centro do buraco negro, porém, chega a um certo ponto onde todas as esperanças de estabilidade são lançadas contra as rochas da gravidade. Fora do buraco negro, mas antes de atingir o horizonte de eventos, as forças gravitacionais são tão extremas que órbitas estáveis ​​se tornam impossíveis. Depois de chegar a esta região, você não pode permanecer em órbita plácida. Você tem apenas duas opções: se tiver foguetes ou alguma outra fonte de energia, pode se impulsionar para um lugar seguro. Mas se você for um infeliz pedaço de gás, está condenado a cair livremente em direção ao pesadelo escuro que o espera abaixo.

Essa fronteira, a órbita circular estável mais interna (ou ISCO para os amantes do jargão astronômico), é uma previsão firme da teoria geral da relatividade de Einstein, a mesma teoria que prevê a existência de buracos negros em primeiro lugar.

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Apesar do sucesso da relatividade geral em prever e explicar fenômenos em todo o universo, e nosso conhecimento seguro de que os buracos negros são reais, nunca fomos capazes de verificar a existência da ISCO e se está de acordo com as previsões da relatividade geral.

Mas o gás que cai em sua destruição pode nos fornecer uma maneira de verificarmos essa existência.

Luzes dançantes

Uma equipe de astrônomos publicou recentemente um artigo no jornal Avisos Mensais da Royal Astronomical Society, que também foi carregado no jornal pré-impresso arXiv, descrevendo como tirar proveito dessa luz moribunda para estudar a ISCO. Sua técnica se baseia em um truque astronômico conhecido como mapeamento de reverberação, que aproveita o fato de que diferentes regiões ao redor do buraco negro se iluminam de maneiras diferentes..

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Quando o gás flui do disco de acreção, passa pelo ISCO - a parte mais interna do disco de acreção - e entra no próprio buraco negro, ele se torna tão quente que emite uma ampla faixa de radiação de raios-X de alta energia. Essa luz de raio-X brilha em todas as direções longe do buraco negro. Podemos ver essa emissão de toda a Terra, mas os detalhes da estrutura do disco de acreção se perdem no brilho da glória dos raios-X. (Saber mais sobre o disco de acreção também ajudará os astrofísicos a entenderem o ISCO.)

Essa mesma luz de raios X também ilumina regiões bem fora do disco de acreção, regiões dominadas por aglomerados de gás frio. O gás frio é energizado pelos raios X e passa a emitir sua própria luz, em um processo denominado fluorescência. Podemos detectar essa emissão também, separadamente do brilho de raios-X que emana das regiões mais próximas do buraco negro.

Leva algum tempo para a luz viajar para fora da ISCO e parte externa do disco de acreção para o gás frio; se observarmos com atenção, podemos observar primeiro as regiões centrais (o ISCO e as partes mais internas do disco de acreção), logo seguido pela luz de "reverberação" das camadas fora do ISCO e do disco de acreção imediatamente circundante.

O tempo e os detalhes da luz reverberada dependem da estrutura do disco de acreção, que os astrônomos usaram anteriormente para estimar a massa dos buracos negros. Neste estudo mais recente, os pesquisadores usaram simulações de computador sofisticadas para ver como o movimento do gás dentro da ISCO - como o gás morre quando finalmente cai em direção ao horizonte de eventos do buraco negro - afeta a emissão de raios-X nas proximidades e no exterior gás.

Eles descobriram que, embora atualmente não tenhamos a sensibilidade para medir o gás condenado, a próxima geração de telescópios de raios-X deve ser capaz, permitindo-nos confirmar a existência do ICSO e testar se ele concorda com as previsões gerais relatividade, talvez nas regiões mais gravitacionalmente extremas de todo o universo.

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Originalmente publicado em . 

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