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SPITZER REVELA O "TIMING" PRECISO DE UMA DANÇA DE DOIS BURACOS NEGROS
1 de maio de 2020

 


Esta imagem mostra dois buracos negros massivos na galáxia OJ 287. O buraco negro mais pequeno orbita o maior, que também está rodeado por um disco de gás. Quando o buraco negro mais pequeno atravessa o disco, produz um clarão mais brilhante do que um bilião de estrelas.
Crédito: NASA/JPL-Caltech

 

Os buracos negros não são estacionários no espaço; de facto, podem ser bastante ativos no que toca aos seus movimentos. Mas como são completamente escuros e não podem ser observados diretamente, não são fáceis de estudar. Os cientistas finalmente descobriram o movimento exato de uma dança complicada entre dois buracos negros enormes, revelando detalhes ocultos sobre as características físicas destes misteriosos objetos.

A galáxia OJ 287 abriga um dos maiores buracos negros já encontrados, com mais de 18 mil milhões de vezes a massa do nosso Sol. Em órbita deste gigante está outro buraco negro com cerca de 150 milhões de massas solares. Duas vezes a cada 12 anos, o buraco negro mais pequeno atinge o enorme disco de gás que rodeia o seu companheiro maior, criando um "flash" de luz mais brilhante do que um bilião de estrelas - ainda mais brilhante do que toda a Via Láctea. A luz demora 3,5 mil milhões de anos para chegar à Terra.

Mas a órbita do buraco negro mais pequeno é oblonga, não é circular, e é irregular: muda de posição a cada translação em torno do buraco negro maior e está inclinada em relação ao disco de gás. Quando o buraco negro mais pequeno atravessa o disco, cria duas bolhas de gás quente em expansão que se afastam em direções opostas e, em menos de 48 horas, o sistema parece quadruplicar em brilho.

Por causa da órbita irregular, o buraco negro colide com o disco a diferentes alturas de cada órbita de 12 anos. Às vezes, os surtos de brilho surgem com apenas um ano de diferença; outras vezes, com até 10 anos de diferença. As tentativas de modelar a órbita e prever estas explosões de brilho levaram décadas, mas, em 2010, os cientistas criaram um modelo que podia prever a sua ocorrência com um grau de incerteza de uma a três semanas. Demonstraram que o seu modelo estava correto prevendo o aparecimento de um surto em dezembro de 2015 com um grau de incerteza tão pequeno quanto três semanas.

Em 2018, um grupo de cientistas liderados por Lankeswar Dey, estudante do Instituto Tata de Pesquisa Fundamental em Mumbai, Índia, publicaram um artigo com um modelo ainda mais detalhado que afirmam ser capaz de prever o momento de futuros surtos até 4 horas. Num novo estudo publicado na revista The Astrophysical Journal Letters, esses cientistas relataram que a sua previsão, com precisão, de um surto que ocorreu no dia 31 de julho de 2019 confirma que o modelo está correto.

A observação desse surto quase que não aconteceu. Dado que OJ 287 estava perto do Sol, a partir da perspetiva da Terra, fora da vista de todos os telescópios no solo e em órbita da Terra, o buraco negro só voltaria a ser visto por esses telescópios no início de setembro, muito depois do clarão. Mas o sistema estava à vista do Telescópio Espacial Spitzer da NASA, que a agência reformou em janeiro de 2020.

Após 16 anos de operações, a sua órbita colocou o telescópio a 254 milhões de quilómetros da Terra, ou mais de 600 vezes a distância Terra-Lua. A partir deste ponto de vista, o Spitzer pôde observar o sistema de 31 de julho (o mesmo dia que o surto estava previsto ocorrer) até ao início de setembro, quando OJ 287 se tornaria observável aos telescópios da Terra.

"Quando verifiquei pela primeira vez a visibilidade de OJ 287, fiquei chocado ao descobrir que ficou visível ao Spitzer no dia em que se previa a próxima explosão de brilho," disse Seppo Laine, cientista associado do Caltech/IPAC em Pasadena, no estado norte-americano da Califórnia, que supervisionou as observações do sistema pelo Spitzer. "Tivemos muita sorte em poder capturar o pico deste surto com o Spitzer, porque nenhum outro instrumento feito por humanos era capaz de alcançar este feito naquele momento específico."

Ondulações no espaço

Os cientistas modelam regularmente as órbitas de objetos pequenos no nosso Sistema Solar, como um cometa que gira em torno do Sol, levando em consideração os factores que mais influenciam significativamente os seus movimentos. Para esse cometa, a gravidade do Sol é geralmente a força dominante, mas a força gravitacional dos planetas próximos também pode mudar o seu percurso.

A determinação do movimento de buracos negros enormes é muito mais complexa. Os cientistas têm que ter em conta factores que podem não impactar visivelmente objetos mais pequenos; o factor principal é algo a que chamamos ondas gravitacionais. A teoria da relatividade geral de Einstein descreve a gravidade como a distorção do espaço devido à massa de um objeto. Quando um objeto se move pelo espaço, estas distorções transformam-se em ondas. Einstein previu a existência de ondas gravitacionais em 1916, mas só foram observadas diretamente em 2015 pelo LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory).

Quanto maior a massa de um objeto, maiores e mais energéticas as ondas gravitacionais que cria. No sistema OJ 287, os cientistas esperam que as ondas gravitacionais sejam tão grandes que transportem energia suficiente para fora do sistema e alterem de forma mensurável a órbita do buraco negro mais pequeno - e, portanto, o momento das explosões de brilho.

Embora estudos anteriores de OJ 287 tenham tido em conta as ondas gravitacionais, o modelo de 2018 é o mais detalhado até agora. Ao incorporar as informações recolhidas das deteções de ondas gravitacionais pelo LIGO, refina a janela temporal na qual se espera a ocorrência de um surto até apenas dia e meio.

Para refinar ainda mais a previsão dos surtos até um grau de incerteza de 4 horas, os cientistas analisaram detalhes sobre as características físicas do buraco negro maior. Especificamente, o novo modelo incorpora algo chamado teorema "sem cabelo" dos buracos negros.

Publicado na década de 1960 por um grupo de físicos que incluía Stephen Hawking, o teorema faz uma previsão sobre a natureza das "superfícies" dos buracos negros. Embora os buracos negros não tenham superfícies verdadeiras, os cientistas sabem que há um limite em seu redor além do qual nada - nem mesmo a luz - pode escapar. Algumas ideias postulam que a orla externa, chamada horizonte de eventos, pode ser irregular, mas o teorema sem cabelo postula que a "superfície" não possui essas características, nem mesmo cabelo (o nome do teorema é uma piada).

Por outras palavras, se alguém cortasse o buraco negro ao meio ao longo do seu eixo de rotação, a superfície seria simétrica (o eixo de rotação da Terra está quase perfeitamente alinhado com os polos norte e sul. Se cortássemos o planeta pela metade, ao longo desse eixo, e comparássemos as duas partes, descobriríamos que o nosso planeta é basicamente simétrico, embora características como oceanos e montanhas criem algumas pequenas variações entre as metades).

Encontrando Simetria

Na década de 1970, o professor emérito Kip Thorne, de Caltech, descreveu como este cenário - um satélite que orbita um buraco negro massivo - podia potencialmente revelar se a superfície do buraco negro era macia ou irregular. Ao antecipar corretamente a órbita do buraco negro menor com tanta precisão, o novo modelo suporta o teorema sem cabelo, o que significa que a nossa compreensão básica destes objetos cósmicos incrivelmente estranhos está correta. O sistema OJ 287, por outras palavras, suporta a ideia de que as superfícies dos buracos negros são simétricas ao longo dos seus eixos de rotação.

Então, como é que a suavidade da superfície do buraco negro massivo impacta o "timing" da órbita do buraco negro mais pequeno? Essa órbita é determinada principalmente pela massa do buraco negro maior. Se crescesse mais ou perdesse um pouco da sua massa, isso mudaria o tamanho da órbita do buraco negro mais pequeno. Mas a distribuição da massa também importa. Uma protuberância massiva de um lado do buraco negro maior distorceria o espaço em seu redor de maneira diferente do que se o buraco negro fosse simétrico. Isso alteraria o percurso do buraco negro mais pequeno à medida que orbita o seu companheiro e mudaria de maneira mensurável o tempo da colisão do buraco negro com o disco nessa órbita em particular.

"É importante, para os cientistas dos buracos negros, que provemos ou refutemos o teorema sem cabelo. Sem ele, não podemos confiar que os buracos negros imaginados por Hawking e outros existam," disse Mauri Valtonen, astrofísico da Universidade de Turku na Finlândia e coautor do artigo.

 

 


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// NASA/JPL (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (The Astrophysical Journal Letters)

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Buracos negros:
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GraceDB (Gravitational Wave Candidate Event Database)
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Astronomia de ondas gravitacionais - Wikipedia
Ondas gravitacionais: como distorcem o espaço - Universe Today
Detetores: como funcionam - Universe Today
As fontes de ondas gravitacionais - Universe Today
O que é uma onda gravitacional (YouTube)

Telescópio Espacial Spitzer:
Página oficial 
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Centro Espacial Spitzer 
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LIGO:
Página oficial
Caltech
Advanced LIGO
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