Astrônomos fazem, pela primeira vez, o retrato de um buraco negro

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Cientistas finalmente capturaram a primeira imagem direta de um buraco negro supermassivo.

O altamente esperado retrato cósmico pertence ao buraco negro no centro de Messier 87, a maior galáxia que conhecemos, a cerca de 54 milhões de anos-luz de distância.

A nova imagem vem do Telescópio Event Horizon, uma rede de 10 radiotelescópios espalhados pelo planeta e funcionando como se fosse um único receptor, um sintonizado em ondas de rádio de alta frequência.

A imagem mostra a fronteira entre a luz e a escuridão em torno de um buraco negro, chamado de horizonte de eventos — o ponto sem retorno, onde a gravidade do buraco negro se torna tão densa que nada que entra pode escapar. No centro do buraco negro, o tempo e o espaço tornam-se tão recurvados que as leis da física não se aplicam ali.

Ao longo de uma semana em abril de 2017, os astrônomos da EHT em quatro continentes coordenaram seus esforços para fazer observações do buraco negro supermassivo. Os dois buracos negros — no centro da Via Láctea e no M87 — têm aproximadamente o mesmo tamanho aparente quando vistos da Terra, porque, embora o buraco negro M87 seja muito maior, ele também está muito mais distante.

Para realizar a observação, os astrônomos lutaram contra o mau tempo e falhas nas redes elétricas. Eles usaram tanques de oxigênio e escalaram montanhas de cinco mil metros de altura para escapar da interferência da atmosfera da Terra.

Em seguida, eles passaram os dois anos analisando literalmente cargas de dados, algumas das quais tinham de ser enviadas em discos rígidos do Pólo Sul e descongeladas do lado de fora da área do supercomputador no MIT.

Finalmente, eles testaram suas descobertas com os resultados de um milhão de simulações de como um buraco negro poderia parecer, até que finalmente viram um fósforo.

Feryal Ozel, astrofísica da Universidade do Arizona e membro do conselho científico do EHT, disse que o resultado representa o auge de sua carreira.

"Somos capazes de retratar mais um objeto no universo que … em um ponto as pessoas pensaram que não poderia ser possível", disse ela. "Isso enaltece o espírito explorador humano. Temos outro olhar para o desconhecido."

Ideia absurda

As bases para essa descoberta foram estabelecidas há mais de 100 anos, quando Albert Einstein publicou as equações que definiam a física gravitacional moderna. A relatividade geral, descrita pela primeira vez em 1915, explicava a gravidade como um fenômeno criado quando a matéria distorce a geometria do espaço e do tempo. Por sua vez, o espaço e o tempo curvos ("espaço-tempo") informam à matéria como se movimentar.

Meses depois que Einstein produziu as equações da relatividade geral, o físico alemão Karl Schwarzschild calculou que, se um objeto é denso o bastante, criaria um buraco sem fundo no espaço-tempo conhecido como "singularidade". Qualquer coisa dentro de um certo raio daquele buraco - uma região conhecida como "horizonte de eventos" — seria engolida pela sua gravidade. Um buraco negro (outro nome para tal singularidade) consome nuvens de gás e estrelas que vagam muito perto; nem a luz consegue escapar.

Einstein achou a ideia tão absurda que dedicou todo um trabalho de pesquisa para desmascará-la.

No entanto, não demorou muito para que os cientistas começassem a ver a prova da presença dos buracos negros em todos os lugares. Modelos científicos mostraram que buracos negros poderiam se formar quando estrelas gigantes morreram. As pesquisas do céu mostraram os caminhos de estrelas sendo curvadas pela tremenda gravidade de um buraco negro, e telescópios revelaram os brilhantes jatos de luz produzidos quando o material superaquecido girando em torno de um buraco negro foi lançado de volta ao espaço.

Em 2016, cientistas revelaram ondulações no espaço-tempo causadas por buracos negros colidindo — a primeira detecção do fenômeno conhecida como ondas gravitacionais.

Todas as evidências sugeriam que Einstein estava errado sobre buracos negros — e sua teoria estava certa.

Formiga na Lua

Mas ver é acreditar, observou Dan Marrone, um astrofísico da Universidade do Arizona que participa do conselho científico da EHT.

Sag. A * e M87 foram os dois alvos mais promissores para esse projeto. O primeiro é próximo (em termos cósmicos) e o último é enorme, dando aos cientistas uma chance decente de capturá-los.

Mesmo assim, ambos são tão distantes que pareceriam aos terráqueos como uma formiga na lua. Para obter qualquer tipo de detalhe, os cientistas precisariam de um telescópio tão grande quanto um planeta - e, é claro, não existe tal coisa.

Assim, em meados dos anos 2000, os cientistas começaram a construir um telescópio a partir de uma infraestrutura previamente existente, ligando instrumentos em todo o mundo para coletar dezenas de observações, cada uma de uma perspectiva ligeiramente diferente.

Esse tipo de triangulação cósmica, chamada "interferometria de linha de base muito longa", levou anos para ser aprimorado. Alguns telescópios precisaram ser atualizados para capturar os tipos corretos de luz. Os pesquisadores precisavam instalar relógios atômicos precisos o suficiente para combinar suas observações até o microssegundo. Supercomputadores tiveram que se tornar mais poderosos para processar as montanhas de dados coletados.

O mais significativo foi a melhoria na tecnologia de VLBI que permitiu observações em ondas de rádio de frequência extremamente alta. Esta é a única forma de luz que pode penetrar o gás quente em torno de um buraco negro, as vastas e poeirentas extensões da galáxia e a atmosfera, carregando um sinal ininterrupto do horizonte de eventos até os telescópios da Terra.

"Nós estávamos inventando os métodos pelos quais fazemos imagens à medida que avançávamos", disse Marrone.

Finalmente, em 2017, o EHT estava pronto para o horário nobre.

16 horas de trabalho por noite

Ozel, que ajudou a coordenar as observações no centro de comando improvisado do projeto no MIT, lembrou a onda de entusiasmo quando centenas de astrônomos de todo o mundo se prepararam para sua primeira noite de trabalho.

"Havia sede pelo desconhecido", disse ela. Dificuldades técnicas ou intempéries em qualquer um dos oito locais poderiam inviabilizar uma noite inteira de observações. Mesmo se tudo fosse planejado, os astrônomos estariam trabalhando 16 horas por noite reunindo dados. E levaria meses até que alguém soubesse se o trabalho deles tinha valido a pena.

Para Marrone, que coordenou as observações no Arizona e no Pólo Sul, de seu escritório na Universidade do Arizona, "a palavra exaustão ainda não faz jus ao trabalho que tivemos". Durante esse período, ele dormia apenas três horas por dia.

Depois de cinco noites de observação (com um dia de descanso enquanto os ventos fortes sacudiam o telescópio do projeto no México), o projeto coletou 5 bilhões de megabytes de dados - o equivalente a 960 discos rígidos contendo dois bilhões de fotografias de alta qualidade.

Em algum lugar daquela vasta coleção, havia a imagem de um buraco negro. Agora os cientistas tinham que encontrá-lo.

Geoffrey Crew, um astrônomo do MIT que ajudou a coordenar o processamento de dados, comparou o esforço a um concerto tocado em um piano que não possui várias teclas.

"Se você só tem algumas notas, não sabe o que está ouvindo", disse ele. "Está tentando reconstruir os dados perdidos com base no que sabemos sobre como a música funciona para criar a música."

Quatro subgrupos em quatro diferentes laboratórios ao redor do mundo foram designados para desenvolver a imagem usando quatro algoritmos diferentes; ninguém tinha permissão para saber o que os outros estavam fazendo, como forma de controle de qualidade.

"Se o objetivo científico não fosse tão atraente e tão cheio de potencial, e se não tivéssemos gastado tanto tempo trabalhando em direção a esse objetivo, acho que ele provavelmente teria desmoronado", disse Ozel. "A ciência nos manteve juntos."