Uma nova investigação sugere que futuras imagens de buracos negros poderão ser suficientemente precisas para permitir aos cientistas determinar se estes objetos são descritos com precisão pela teoria da gravidade de Albert Einstein, a relatividade geral – ou se são melhor modelados por teorias alternativas.
Essa pesquisa de buracos negros é possível devido aos avanços nas imagens de buracos negros, iniciados pelo Telescópio Horizonte de Eventos (EHT), que revelou a primeira imagem de um buraco negro em 2019. Esta imagem focou no buraco negro supermassivo no coração da distante galáxia M87. Na verdade, a nossa galáxia tem o seu próprio buraco negro supermassivo central chamado Sagitário A* (Sgr A*) — e a colaboração EHT revelou também uma imagem deste, em 2022.
“Desenvolvemos uma maneira prática, baseada em simulação, de comparar imagens do gás quente em torno dos buracos negros previstos pela relatividade geral de Einstein com imagens previstas pelo desvio da relatividade geral”, disse o principal autor da pesquisa, Akhil Uniyal, da Universidade Jiao Tong de Xangai, na China, ao Space.com. “A execução de simulações tridimensionais realistas de campos magnéticos e de gás para muitos espaços-tempos hipotéticos de buracos negros produziu imagens sintéticas e definiu métricas de comparação de imagens que quantificam o quão diferentes são duas imagens.
“O principal resultado é que, embora muitas alternativas pareçam muito semelhantes ao buraco negro ‘padrão’ com a qualidade de imagem atual, as diferenças aumentam de forma previsível à medida que a resolução e a fidelidade da imagem melhoram, estabelecendo que a próxima geração de imagens à escala do horizonte poderá distinguir os buracos negros de Einstein dos buracos negros não-Einstein.”
Receita do buraco negro de Einstein
Em 1915, mais de 100 anos antes de o EHT capturar a imagem de um buraco negro, Einstein formulou sua “teoria geométrica da gravidade”, mais conhecida como relatividade geral. Até este ponto, a melhor descrição que tínhamos da gravidade era a de Isaac Newton.
Ao contrário de Newton, Einstein propôs que objetos com massa distorcem a própria estrutura do espaço e do tempo, unificados como uma única entidade chamada “espaço-tempo”. E o que experimentamos como “gravidade” emerge desta deformação. Quanto maior a massa de um objeto, mais extrema será a deformação do espaço-tempo que ele causa e maior será sua influência gravitacional.
O conceito de buracos negros surgiu da relatividade geral em 1916, quando o astrofísico Karl Schwarzschild, que na altura servia na Frente Oriental na Primeira Guerra Mundial, concebeu uma solução para as equações que sustentavam a relatividade geral (para grande surpresa de Einstein). Estas soluções revelaram que a relatividade geral prevê que, numa região infinitamente pequena do espaço-tempo onde a massa se torna infinitamente densa, as leis da física entram em colapso. Esse ponto é a singularidade no centro de um buraco negro. Esta solução também revelou que deveria existir um limite em torno da singularidade denominado raio de Schwarzschild, no qual a velocidade de escape desta região do espaço excederia a velocidade da luz. Isso viria a ser conhecido como o limite externo de captura de luz de um buraco negro, ou horizonte de eventos.
No entanto, os cientistas especulam há muito tempo que a relatividade geral pode não ser a receita correta para os buracos negros. Esta é uma possibilidade atraente porque outras teorias de buracos negros podem não conter aquela preocupante singularidade central na qual a física, incluindo a relatividade geral, entra em colapso.
Por outro lado, estas teorias alternativas muitas vezes exigem matéria com propriedades muito especiais ou mesmo outros tipos de violações das leis da física.
“Em termos gerais, existem os buracos negros rotativos padrão descritos pela teoria geral
relatividade, chamados buracos negros de Kerr, e há uma variedade de alternativas motivadas por diferentes teorias”, disse Uniyal.”Todas essas alternativas são mais complexas ou complicadas do que as propostas por Einstein, mas permanecem teoricamente viáveis até serem refutadas.”
Um grande obstáculo para testar teorias alternativas é o horizonte de eventos, que impede que qualquer informação do interior de um buraco negro chegue a um observador externo. Com a imagem de buracos negros sendo agora um factor importante, e com melhorias nesta imagem no horizonte, Uniyal e colegas começaram a determinar o que os cientistas poderiam ver nestas imagens e nas sombras dos buracos negros que poderiam indicar um desvio da relatividade geral.
“A sombra do buraco negro é a silhueta escura formada pela captura de fótons e forte
lente, que codifica a geometria do espaço-tempo muito próxima do objeto compacto, “Uniyal disse. “Pequenos desvios métricos se traduzem em pequenas e sistemáticas mudanças no tamanho e forma da sombra e na forma como os anéis de luz se formam ao seu redor, portanto, medir a sombra com precisão fornece um diagnóstico direto de se a gravidade subjacente corresponde às previsões de Einstein. “
“Como o espaço-tempo em torno de um buraco negro controla as órbitas das partículas e os caminhos da luz, pequenas mudanças métricas alteram onde o gás orbita e como ele irradia”, continuou Uniyal, “o que pode alterar a dinâmica de acreção, as regiões de lançamento de jatos, a eficiência radiativa e o brilho e os padrões de polarização vistos por observadores distantes. Em casos extremos, uma estrutura interior diferente, como a ausência de um verdadeiro horizonte de eventos, também pode levar a assinaturas observacionais qualitativamente diferentes.”
O pesquisador acrescentou que uma imagem futura suficientemente detalhada de um buraco negro poderia ser avaliada para determinar se os dados são mais compatíveis com o buraco negro “a”, digamos, um descrito pela relatividade geral, ou com o buraco negro “b”, descrito por uma teoria alternativa.
“O que os nossos resultados mostram é que quaisquer que sejam os buracos negros ‘a’ ou ‘b’ que se considere, as diferenças serão pequenas e, portanto, são necessárias medições muito precisas. Felizmente, estas observações serão possíveis num futuro não muito distante,” disse Uniyal. “Dois resultados encorajadores e um tanto surpreendentes foram que as diferenças entre os modelos crescem de forma sistemática e previsível à medida que a resolução da imagem melhora, o que significa que imagens de maior fidelidade aumentarão verdadeiramente o poder de teste, e o estudo produziu uma compreensão numérica concreta em nível percentual para incompatibilidade de imagens onde os modelos se tornam distinguíveis, o que fornece alvos claros para futuros observatórios.”
Os próximos passos desta pesquisa envolvem a busca contínua para melhorar a qualidade das imagens de buracos negros, adicionando telescópios adicionais à rede de 11 instrumentos que compõem o EHT, bem como explorando potenciais instrumentos de interferometria de linha de base muito longa baseados no espaço.
“Perseguir diferentes cenários astrofísicos poderia colocar restrições quantitativas nos desvios dos buracos negros de Kerr ou, se presentes, detectar assinaturas de teorias alternativas com a ajuda de observações futuras”, disse Uniyal.
A pesquisa da equipe foi publicada na quinta-feira (30 de outubro) na revista Astronomia da Natureza.
