Sagittarius A*: Começando a desvendar o mistério do centro de nossa galáxia

No centro da Via Láctea, na direção da constelação de Sagitário, há um buraco negro com quatro milhões de vezes a massa do nosso Sol. Na última quinta-feira, 12/05, foi publicada a primeira imagem da sombra desse corpo supermassivo. Para entender a importância dessa publicação, o Núcleo de Comunicação Social do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas convidou o físico e cosmológo Martín Makler, pesquisador da casa.

Imagem do buraco negro supermassivo Sagittarius A*
Crédito: Event Horizon Telescope Collaboration

O Event Horizon Telescope (EHT), um consórcio internacional de cientistas, foi o responsável pela divulgação da primeira foto do Sagittarius A*, buraco negro localizado no centro da nossa galáxia. O pesquisador do CBPF Martín Makler sintetiza a relevância científica deste novo registro, explica como ele foi possível e fala dos desdobramentos para novas descobertas.

Comprovação da existência

Em 2020, a americana Andrea Ghez e o alemão Reinhard Genzel ganharam o Prêmio Nobel em Física pela medida das órbitas de estrelas em volta do centro da Via Láctea, que resultou na confirmação de um objeto compacto supermassivo no meio de nossa galáxia denominado Sagittarius A*.

Esse prêmio mostra que já haviam evidências de que o objeto descoberto se tratava de um buraco negro, tanto pela órbita das estrelas em sua volta, que presumiu sua característica bastante densa, como por sua massa – quatro milhões de vezes a massa do Sol. Uma vez que – até o presente – o único corpo celeste conhecido no universo capaz de medir um milhão de massas do Sol é um buraco negro, sua existência de certa forma era conhecida pelos cientistas. Além disso, já era conhecida uma forte emissão em ondas de rádio por uma fonte compacta nessa região, que seria oriunda da matéria que circunda o buraco negro.

Andrea define buracos negros como objetos que se formam, em sua maioria, quando uma estrela massiva morre, tornando-se um lugar no espaço onde a gravidade é tão intensa que nem a luz escapa dela. Isso acontece porque há uma grande quantidade de matéria concentrada em um pequeno espaço. “As leis da física perto de um buraco negro são diferentes daquelas que operam na Terra, você não tem intuição para as coisas que está procurando.”

Nesse sentido, a fotografia publicada pelo EHT que retrata o disco de gás gerador do efeito de anel luminoso chamado de sombra do buraco negro – uma vez que o buraco negro não emite luz e, portanto, não o vemos – é a evidência mais direta da presença de um buraco negro na Via Láctea.

Teste da teoria da relatividade geral de Einstein

Além da comprovação da existência do buraco negro, a imagem do EHT mostra um importante efeito da relatividade geral. Apesar de o disco de gás estar de lado, é possível ver um anel em volta também (vertical); isso se dá pelo campo gravitacional do buraco negro, que faz com que a luz do disco que está atrás dê uma volta por cima (ou por baixo) e chegue até o observador. Então, mesmo que o disco esteja na horizontal, o observador verá luz saindo por cima e por baixo do buraco e vai ver a imagem do disco de gás como um anel por causa da deformação do espaço-tempo. Desta forma, essa imagem serve para testar a teoria da relatividade geral.

Existem teorias alternativas à gravitação de Einstein. Inclusive, o físico Mario Novello – pesquisador emérito do CBPF – é bem conhecido por propor novas alternativas e uma das aplicações dessa medida é permitir testar a teoria da relatividade geral. Outros modelos não preveem esse anel, ou preveem que o anel é diferente. O resultado recente do EHT é compatível em 10% com a teoria da relatividade geral. Ou seja, ele não descarta todas as teorias alternativas, mas, se outra teoria da gravitação se afasta mais 10% da relatividade geral na previsão do tamanho do anel luminoso, então essa teoria está descartada. Ou seja, o resultado é compatível com a relatividade geral e pode descartar alguns modelos alternativos – não todos. Desta forma, é um teste importante da teoria da relatividade geral de Einstein.

Observar esse anel de luz vai permitir entender como é o meio em volta do buraco negro e porque que ele tinha uma atividade atípica – que levantava suspeitas inclusive de que não era um buraco negro. Será possível estudar não só o buraco negro, mas também a situação no centro da nossa galáxia: se tem mais ou menos gás, se é mais quente ou mais frio etc. Essa é uma grande novidade, algo que não tinha sido detectado ainda.

Avanço tecnológico

O Sagittarius A* é o segundo buraco negro já fotografado (lembrando que a foto é do anel luminoso, que possui um formato bem característico na presença de um buraco negro), o primeiro foi o M87, observado três anos atrás e que está localizado no centro da galáxia de mesmo nome. A diferença é que entre o M87 e o Sagittarius A* há um fator mil de diferença: enquanto o primeiro tem bilhões de vezes a massa do Sol, o segundo tem milhões de massas solares. Foi mais fácil fazer a imagem da sombra do buraco negro de M87 porque ele tem mil vezes mais massa, o que significa que é mil vezes maior. Usando uma analogia carioca, supondo que o Sagittarius A* fosse um biscoitinho, o M87 seria do tamanho do Maracanã.

Primeira imagem de um buraco negro, o M87
Crédito: Event Horizon Telescope Collaboration

Por outro lado, o centro de nossa galáxia está muito mais perto da Terra do que o M87. A maior dificuldade neste estudo é que o centro galáctico é uma região densa em estrelas e com muita emissão e absorção de luz. Em outras palavras, é muito difícil enxergar/penetrar até o centro galáctico. Além disso, pelo tamanho menor, a matéria em volta do buraco negro gira muito mais rápido. É como tentar fazer uma fotografia de um carro em movimento!

Dessa forma, a fotografia do anel de luz de Sagittarius A* só foi possível devido a um avanço tecnológico enorme que pôde estudar um buraco negro menor que seu antecessor e no centro povoado de nossa galáxia, com o gás em movimento. Isso significou mais telescópios incorporados e mais técnicas de análise de dados – inclusive ligadas à inteligência artificial.

Os radiotelescópios usados pelo EHT já existiam e estavam espalhados pelo mundo, mas o diferencial foi poder processar essa informação de forma conjunta. Era necessário que o relógio de cada telescópio posicionado em diferentes lugares da Terra estivesse precisamente ajustado com o relógio atômico. Assim, coordenar esses instrumentos foi o primeiro aspecto, uma questão tecnológica: ter a antena, essa correlação temporal e os relógios atômicos espalhados nos instrumentos.

O segundo aspecto foi o da informação. Gravar tudo com a informação temporal em HDs necessitou vários Petabytes e não é possível enviar esses dados de forma rápida e eficiente pela rede de internet. Os HDs com os dados são levados fisicamente para um lugar em que uma máquina faz a leitura e os dados são processados por supercomputadores.

Para o nosso convidado Martín Makler, no horizonte há duas questões a serem consideradas sobre os próximos passos dessa descoberta: uma científica e outra instrumental. Do ponto de vista científico é preciso buscar mais informação temporal, ver como este buraco negro no centro da nossa galáxia está evoluindo, como este disco está evoluindo, se em um ano é possível perceber que ele está mais brilhante ou mais fraco. Estudar a escala temporal com mais dados e mais tempo vai viabilizar o registro de uma imagem ainda mais nítida no futuro.

Do ponto de vista instrumental, incorporar mais telescópios a essa rede vai melhorar a qualidade dos dados. Quanto mais telescópios, melhor e mais completa será a informação. Fala-se até de, no futuro, colocar telescópios espaciais para participar dessa rede: sair da Terra, colocar na Lua, no espaço, aumentar a rede para não ter mais a limitação do tamanho da Terra.

Brasil e América Latina no EHT

Não sabemos ao certo quantos brasileiros estão envolvidos nas diferentes etapas do projeto da EHT que culminou na divulgação da fotografia de Sagittarius A*. No entanto, uma brasileira, Lia Medeiros, figura entre os participantes de destaque. Atualmente, ela faz pós-doutorado no Instituto de Estudos Avançados (IAS, sigla em inglês), em Nova Jersey, com bolsa da Fundação Nacional da Ciência dos EUA.

Outra informação relevante é que um dos radiotelescópios usados na descoberta é um conjunto de antenas Atacama Large Millimeter Array (ALMA), no Chile. Uma réplica de uma dessas antenas está sendo instalada na Argentina, em um projeto Brasil-Argentina que se chama Large Latin America Milimeter Array (LLAMA). Um dos objetivos deste projeto é finalizar a montagem da antena LLAMA e incorporá-la à rede do EHT.

Antenas ALMA instaladas no platô de Chajnantor, no Chile
Crédito: Sergio Otarola – ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

No LLAMA há pesquisadores de grupos de São Paulo e do Rio de Janeiro. Makler chama atenção ao fato de que, embora não tenha pesquisadores envolvidos no EHT nem no LLAMA, o CBPF é uma instituição que trabalha em relatividade geral e gravitação desde a sua fundação, e formou grande parte dos cosmólogos e das pessoas que trabalham em relatividade geral no Brasil.

“Esse tipo de física é a física que se discute bastante no CBPF, a física da relatividade geral ou alternativas a ela. Nós temos o pesquisador Marc Casals que trabalha nessa área de buracos negros. Esse anel de luz, que é o efeito da sombra do buraco negro, é um efeito de lente gravitacional, que é a distorção da trajetória da luz pelo campo gravitacional. Meu grupo trabalha também há 15 anos nessa física de lente gravitacional”, diz Makler.

Embora o CBPF não tenha participado dessa descoberta, a física ligada ao fenômeno do buraco negro é uma física que o CBPF vem fazendo há décadas e há várias gerações. Desde Jaime Tiomno (1920-2011), que foi um dos fundadores do instituto e trabalhava com a teoria da relatividade geral, passando por Mario Novello, que formou o grupo de Cosmologia e Gravitação, até os pesquisadores que fazem parte da Coordenação de Cosmologia, Astrofísica e Interações Fundamentais (COSMO): Nelson Pinto Neto, Felipe Tovar, Marc Casals e Martín Makler; e na Coordenação de Física Teórica (COTEO) Marcelo Rebouças, que vêm seguindo essa tradição.

O CBPF é referência em física da relatividade geral no Brasil.

Mais informações:

EHT: https://eventhorizontelescope.org/

ALMA: https://www.almaobservatory.org/en/home/

2020’s Nobel Prize in Physics:

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2020/press-release/