Explicando o prêmio Nobel de Física de 2020

O objeto de estudo que levou ao prêmio Nobel de Física de 2020 foi o estudo dos Buracos Negros, que podem ser descritos como estruturas do espaço-tempo em que a gravidade é tão grande que nada lhes escapa, nem mesmo a luz. 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, e, dentre os quais, a pesquisa dos tres ganhadores do prêmio Nobel se destaca.

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.

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, os objetos mais luminosos do Universo, e que eles eram na verdade 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 massa, 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 queriam uma evidência dinâmica, ou seja, observar o movimento de objetos em órbita do Buraco Negro. Este estudo teve um impulso grande com o lançamento do Telescópio Espacial Hubble, que permitiu observar o movimento coletivo de estrelas dentro de dezenas de anos-luz do centro das galáxias mais próximas. De fato, foi possível observar que a velocidade “coletiva”, ou o que chamamos de “dispersão de velocidades”, crescia muito dentro de algumas dezenas de anos-luz do núcleo das galáxias com bojo, como elípticas gigantes e espirais grandes, como a Via Lácgea, muito mais do que o esperado para um movimento meramente devido à gravidade do bojo das galáxias. Concluiu-se que, em todas as galáxias grandes em que é possivel resolver espacialmente regiões dezenas de anos luz, há um Buraco Negro Supermassivo no seu centro.

Mas será que não podemos observar o movimento individual das estrelas ao invés de somente o coletivo? Sim, na Via Láctea, a nossa galáxia, cujo centro está a aproximadamente 25 mil anos-luz de nóes 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 obsevar 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, permitiam 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, um 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 estas estrelas fazendo suas próprias descobertas. Também estive com ela em uma outra Conferência, o Simpósio 303 da União Astronômica Internacional, sobre o centro da Via Láctea, em Santa Fé, nos Estados Unidos, para a qual 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 da Andrea 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.

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. Este trabalho foi fundamental para provar a existência de um Buraco Negro Supermassivo no centro da Via Láctea, e, como consequência, fundamentar as observações coletivas que são feitas em outras galáxias e mesmo a natureza da energia emitida pelos Quasares.

Porto Alegre, 8 de Outubro de 2020.
Thaisa Storchi Bergmann
Pesquisadora IA-CNPq, Membro da ABC
Departamento de Astronomia, Instituto de Física, UFRGS

(Veja também o post da Sociedade Brasileira de Física.)