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Explicando o Prêmio Nobel de Física de 2020: Buracos Negros

A figura acima ilustra a órbita das estrelas mais próximas ao Buraco Negro da Via Láctea, Sgr. A*, juntamente com a de uma nuvem de gás que passou próxima a ele em 2014, resultado de três décadas de observações realizadas pelas equipes de Genzel e Ghez que dividiram o prêmio com Penrose.

Os “misteriosos” Buracos Negros foram “a estrela” do Nobel de Física de 2020. Eles podem ser descritos como estruturas do espaço-tempo em que a gravidade é tão grande que nada lhes escapa, nem mesmo a luz, e por isto levam este nome. A superfície a partir da qual nada escapa é o chamado “Horizonte de Eventos”, cuja primeira “imagem”, no caso do Buraco Negro Supermassivo do núcleo da galáxia M87, foi divulgada no ano passado, pelo consórcio do “Event Horizon Telescope”. Mas esta imagem só foi interpretada e aceita como tal devido ao enorme volume de trabalho anterior, provando a existência dos Buracos Negros na natureza, dentre os quais se destaca a pesquisa dos três ganhadores do prêmio Nobel de 2020.

A astrofísica norte-americana da Universidade da California em Los Angeles Andrea Ghez, dividiu o prêmio com o astrofísico alemão Rheinhard Genzel, do Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics e com o físico inglês Roger Penrose, da Universidade de Oxford. Enquanto Penrose recebeu o prêmio por provar que o Buraco Negro era uma solução robusta das equações da Teoria da Relatividade de Einstein, Ghez e Genzel dedicaram-se a procurar por evidências observacionais da sua existência, e em particular, da presença de um Buraco Negro Supermassivo no centro da nossa galáxia, a Via Láctea.

Hoje sabemos que os Buracos Negros podem ser estelares – resultado final da evolução de estrelas com massas maiores do que 10 massas solares, ou supermassivos, que têm massas que variam de 1 milhão a 10 bilhões de massas solares. Evidências observacionais da existência de buracos negros são obtidas “indiretamente”, uma vez que eles não emitem radiação. O que se faz é observar a luz de objetos orbitando ao seu redor.

No caso dos Buracos Negros Supermassivos, as evidências de sua existência começaram a aparecer com a descoberta dos Quasares, nos anos 1950-60, que podem ser considerados os objetos mais luminosos do Universo. Nos anos 1980-90, em que imagens mais nítidas destes objetos foram sendo obtidas e em particular com o Telescópio Espacial, ficou evidente que eles eram núcleos de galáxias que emitiam mais energia do que a galáxia inteira ao seu redor. Concluiu-se que a origem da energia não poderia ser estelar, e o candidato mais provável para prover esta energia seria um Buraco Negro Supermassivo capturando matéria. Devido à enorme gravidade do Buraco Negro, a captura de matéria por ele libera cerca de 10% da energia de repouso desta matéria (m), ou seja 0.1mc2, observada através da luz emitida pela matéria sendo capturada. Esta eficiência de 10% é mais de uma ordem de grandeza maior do que a liberada pelo processo de geração de energia mais eficiente que conhecemos, a fusão nuclear, que ocorre no interior das estrelas, como o Sol.

Mas para provar que há mesmo um Buraco Negro Supermassivo no centro de uma galáxia, os astrofísicos precisavam de uma evidência dinâmica, ou seja, observar o movimento de objetos em órbita do Buraco Negro. Este estudo teve um impulso grande com observações espectroscópicas feitas com o Telescópio Espacial Hubble, que permitiu observar o movimento coletivo de estrelas dentro de dezenas de anos-luz do núcleo das galáxias mais próximas. Foi possível observar que a velocidade “coletiva”, ou o que chamamos de “dispersão de velocidades”, crescia muito dentro destas regiões para as galáxias apresentando um bojo estelar proeminente, como elípticas e espirais grandes do tipo da Via Láctea. Os valores atingidos eram muito maiores do que os esperados para um movimento meramente devido à gravidade do bojo das galáxias. Concluiu-se que, em todas as galáxias grandes em que é possível resolver espacialmente regiões com raio de dezenas de anos luz em torno do seu núcleo, há um Buraco Negro Supermassivo no seu centro.

Mas muitos não consideravam estas observações de movimentos coletivos como evidências robustas o suficiente para provar a presença dos Buracos Negros Supermassivos no centro das galáxias, argumentando que um aglomerado denso de estrelas escuras, por exemplo, poderia ser a explicação. Para resolver isto, só observando a órbita de estrelas individuais, o que só pode ser feito na Via Láctea, cujo centro está a aproximadamente 25 mil anos-luz de nós e não a milhões de anos-luz, como nas outras galáxias. Mas para observar este movimento individual de estrelas é preciso de muito tempo, uma vez que mesmos as estrelas mais próximas ao Buraco Negro tardam dezenas de anos para completarem suas órbitas em torno dele. E é preciso usar detectores capazes de observar através da camada de poeira interestelar que existe na direção do centro da Via Láctea. Foi a este trabalho – de desenvolvimento de detectores no infravermelho, que podem observar através da poeira interestelar, e monitoramento das órbitas das estrelas mais próximas em torno do centro da Via Láctea que se dedicaram, desde a década de 1990, Andrea Ghez e Rheinhard Genzel.

Lembro-me de uma Conferência de 2002, em Granada, Espanha, da qual participei, e na qual o Genzel revelou que suas observações mais recentes da estrela conhecida como S2, que já duravam 10 anos, permitiram definir sua órbita Kepleriana de alta excentricidade em torno do centro da Via Láctea, mostrando que o periastro estava a somente 17 horas luz da fonte de rádio Sagitarius A* (Sgr. A*), considerada como marcadora do centro da Via Láctea. A órbita assim determinada requeria uma massa central de 4 milhões de massas solares, não permitindo outra solução (por exemplo, o aglomerado denso de estrelas escuras) que não fosse a presença de um buraco negro supermassivo em Sgr. A*, e o resultado foi publicado no mês de Outubro de 2002 na revista Nature.

Paralelamente, Andrea Ghez, na California, também monitorava estrelas orbitando o centro da Via Láctea, fazendo suas próprias descobertas. Também estive com ela em uma Conferência, o Simpósio 303 da União Astronômica Internacional, sobre o centro da Via Láctea, em Santa Fé, nos Estados Unidos em 2013. Fui convidada para falar sobre processos de alimentação e retro-alimentação de Buracos Negros Supermassivos em galáxias próximas, para fazer um paralelo com o que acontecia na Via Láctea. Lembro-me de discussões acaloradas entre o time de Ghez e o de Genzel, sobre suas predições do que iria acontecer com uma nuvem interestelar recém descoberta próxima a Sgr A*, que deveria em breve passar muito perto do Buraco Negro e ser destruída por sua força de maré, como ilustrado no seguinte vídeo que mostra também as estrelas observadas orbitando  Sgr. A*. 

https://d2r55xnwy6nx47.cloudfront.net/uploads/2020/10/Nobel2020_Physics_1280x720_Lede.mp4 (Crédito: ESO/MPE/M. Schartmann/L. Calçada.)

O trabalho meticuloso e contínuo das equipes destes dois cientistas continuou, e atualmente órbitas de mais de uma dezena de estrelas próximas a Sgr A* já se completaram desde o início das observações nos anos 1990, confirmando e refinando os resultados iniciais. Este trabalho foi fundamental para provar a existência de um Buraco Negro Supermassivo no centro da Via Láctea, e, como consequência, respaldar as observações coletivas que são feitas em outras galáxias e mesmo a natureza da energia emitida pelos Quasares.

 

 

A Teia Cósmica: Universo com 5% da sua idade

Modelo da distribuição da matéria (lado=15Mpc comóvel, dominada pela matéria escura) quando o Universo tinha 5% da sua idade (z=8) e as primeiras galáxias e estrelas estavam se formando. Simulação feita por Rainer Weinberger (IllustrisTNG Collaboration) para sua contribuição aos Proceedings do Simpósio da IAU 359, que estamos editando (Thaisa Storchi Bergmann, William Forman, Roderick Overzier e Rogério Riffel).  

Compacto de minha entrevista para Podcast Prototipando

Versão compacta da entrevista que dei para Pedro Piovan, fundador da Ensaio Lab, para o Podcast Prototipando. Nesse podcast, abordo diversos assuntos: – o que são os buracos negros e como foram descobertos; – como funciona a inovação na pesquisa científica; – os desafios de ser uma mulher cientista; – a (des)informação científica encontrada na internet; – o que é a vida.  Para assistir na íntegra, acesse o link: https://www.youtube.com/watch?v=UuLTD…

Rádio-galáxias: elípticas, população estelar velha e interações

Em trabalho recente liderado por Julia Comerford (arxiv.org/pdf/2008.11210.pdf), Univ. Colorado, usando o survey MaNGA – SDSS-IV, mostramos que rádio-galáxias próximas são em geral elípticas e com população estelar mais velha do que outras galáxias ativas. Ou o jato rádio está impedindo a formação de novas estrelas, ou a atividade rádio é consequência do pouco combustível para alimentar o Buraco Negro central. Por outro lado, há mais interações com vizinhas em rádio galáxias do que em outras galáxias ativas.

Palestra: Alimentação e retro-alimentação de Buracos Negros Supermassivos em Galáxias

Nesta terça-feira, 18/08/2020, às 15hs, estarei ministrando a palestra acima on-line na série de seminários do INPE – Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais: https://meet.google.com/dcu-sami-tgx. O assunto são os fenômenos que acontecem nas galáxias devido aos seus Buracos Negros Supermassivos centrais, e sua importância na evolução destas galáxias. Enfatizarei o meu trabalho sobre o assunto, bem como o de de meus alunos e colaboradores.