Em abril de 2019, os cientistas divulgaram a primeira imagem de um buraco negro na galáxia M87 usando o Event Horizon Telescope (EHT). No entanto, essa conquista notável foi apenas o começo da história da ciência a ser contada.

Para entender melhor o buraco negro no centro da galáxia M87, a Colaboração EHT montou uma campanha de observação de vários comprimentos de onda. As observações em todo o espectro eletromagnético em rádio, luz visível, ultravioleta, raio X e raio gama revelaram o impacto de longo alcance do buraco negro supermassivo em seus arredores. Crédito: Colaboração EHT; NASA / Swift; NASA / Fermi; Caltech-NuSTAR; CXC; CfA-VERITAS; MAGIA; HESS

Dados de 19 observatórios divulgados hoje prometem dar uma visão incomparável desse buraco negro e do sistema que ele alimenta, e melhorar os testes da Teoria Geral da Relatividade de Einstein.

"Sabíamos que a primeira imagem direta de um buraco negro seria inovadora", disse Kazuhiro Hada, do Observatório Astronômico Nacional do Japão, co-autor de um novo estudo publicado no The Astrophysical Journal Letters que descreve o grande conjunto de dados. "Mas para obter o máximo desta imagem notável, precisamos saber tudo o que pudermos sobre o comportamento do buraco negro naquela época, observando todo o espectro eletromagnético."

A imensa atração gravitacional de um buraco negro supermassivo pode alimentar jatos de partículas que viajam quase à velocidade da luz por vastas distâncias. Os jatos da M87 produzem luz abrangendo todo o espectro eletromagnético, desde ondas de rádio até luz visível e raios gama. Esse padrão é diferente para cada buraco negro. Identificar esse padrão fornece uma visão crucial das propriedades de um buraco negro, por exemplo, seu spin e produção de energia, mas é um desafio porque o padrão muda com o tempo.

Os cientistas compensaram essa variabilidade coordenando observações com muitos dos telescópios mais poderosos do mundo no solo e no espaço, coletando luz de todo o espectro. Essas observações de 2017 foram a maior campanha de observação simultânea já realizada em um buraco negro supermassivo com jatos.

Três observatórios geridos pelo Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian participaram da campanha histórica: o Submillimeter Array (SMA) em Hilo, Havaí; o Observatório de raios-X Chandra, baseado no espaço; e o Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) no sul do Arizona.

Começando com a agora icônica imagem da M87 do EHT, um novo vídeo leva os espectadores em uma jornada pelos dados de cada telescópio. Cada quadro consecutivo mostra dados em vários fatores de dez em escala, tanto de comprimentos de onda de luz quanto de tamanho físico.

A sequência começa com a imagem do buraco negro em abril de 2019. Em seguida, ele se move através de imagens de outros arranjos de radiotelescópios ao redor do globo (SMA), movendo-se para fora no campo de visão durante cada etapa. Em seguida, a visão muda para telescópios que detectam luz visível, luz ultravioleta e raios-X (Chandra). A tela se divide para mostrar como essas imagens, que cobrem a mesma parte do céu ao mesmo tempo, se comparam. A sequência termina mostrando quais telescópios de raios gama em solo (VERITAS), e Fermi no espaço, detectam a partir desse buraco negro e seu jato.

Cada telescópio fornece informações diferentes sobre o comportamento e o impacto do buraco negro de 6,5 bilhões de massa solar no centro da M87, localizado a cerca de 55 milhões de anos-luz da Terra.

"Existem vários grupos ansiosos para ver se seus modelos correspondem a essas observações ricas e estamos entusiasmados em ver toda a comunidade usar esse conjunto de dados públicos para nos ajudar a compreender melhor as ligações profundas entre os buracos negros e seus jatos", diz o co-autor Daryl Haggard, da Universidade McGill em Montreal, Canadá.

Os dados foram coletados por uma equipe de 760 cientistas e engenheiros de quase 200 instituições, abrangendo 32 países ou regiões, e usando observatórios financiados por agências e instituições em todo o mundo. As observações concentraram-se do final de março a meados de abril de 2017.

"Este incrível conjunto de observações inclui muitos dos melhores telescópios do mundo", disse o co-autor Juan Carlos Algaba, da Universidade da Malásia em Kuala Lumpur, Malásia. "Este é um exemplo maravilhoso dos astrônomos de todo o mundo trabalhando juntos na busca pela ciência."

Os primeiros resultados mostram que a intensidade da luz produzida pelo material ao redor do buraco negro supermassivo da M87 foi a mais baixa já observada. Isso produziu condições ideais para visualizar a 'sombra' do buraco negro, bem como ser capaz de isolar a luz de regiões próximas ao horizonte de eventos daquelas dezenas de milhares de anos-luz de distância do buraco negro.

A combinação de dados desses telescópios e as observações EHT atuais (e futuras) permitirão aos cientistas conduzir importantes linhas de investigação em alguns dos campos de estudo mais significativos e desafiadores da astrofísica. Por exemplo, os cientistas planejam usar esses dados para melhorar os testes da Teoria da Relatividade Geral de Einstein. Atualmente, as incertezas sobre o material girando em torno do buraco negro e sendo explodido em jatos, em particular as propriedades que determinam a luz emitida, representam um grande obstáculo para esses testes da Relatividade Geral.

Uma questão relacionada que é abordada pelo estudo de hoje diz respeito à origem das partículas energéticas chamadas "raios cósmicos", que bombardeiam continuamente a Terra a partir do espaço sideral. Suas energias podem ser um milhão de vezes mais altas do que o que pode ser produzido no acelerador mais poderoso da Terra, o Grande Colisor de Hádrons. Os enormes jatos lançados de buracos negros, como os mostrados nas imagens de hoje, são considerados a fonte mais provável dos raios cósmicos de maior energia, mas há muitas dúvidas sobre os detalhes, incluindo os locais precisos onde as partículas são aceleradas. Como os raios cósmicos produzem luz por meio de suas colisões, os raios gama de maior energia podem apontar este local, e o novo estudo indica que esses raios gama provavelmente não são produzidos perto do horizonte de eventos, pelo menos não em 2017. Uma chave para resolver este debate será a comparação com as observações de 2018 e os novos dados sendo coletados esta semana.

"Compreender a aceleração de partículas é realmente fundamental para nossa compreensão da imagem EHT, bem como dos jatos, em todas as suas 'cores'", diz a coautora Sera Markoff, da Universidade de Amsterdã. "Esses jatos conseguem transportar a energia liberada pelo buraco negro em escalas maiores do que a galáxia hospedeira, como um enorme cabo de alimentação. Nossos resultados nos ajudarão a calcular a quantidade de energia transportada e o efeito que os jatos do buraco negro têm em seu ambiente. "

O lançamento deste novo tesouro de dados coincide com a execução de observação de 2021 do EHT, que aproveita uma série mundial de antenas de rádio, a primeira desde 2018. A campanha do ano passado foi cancelada por causa da pandemia COVID-19, e o ano anterior foi suspenso devido a problemas técnicos imprevistos. Nesta mesma semana, durante seis noites, os astrônomos do EHT estão visando vários buracos negros supermassivos: o do M87 novamente, o da nossa galáxia chamado Sagitário A * e vários buracos negros mais distantes. Em comparação com 2017, a matriz foi melhorada com a adição de mais três radiotelescópios: o Telescópio da Groenlândia, o Telescópio Kitt Peak de 12 metros no Arizona e o NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) na França.

"Com a liberação desses dados, combinados com a retomada da observação e um EHT aprimorado, sabemos que muitos resultados novos e empolgantes estão no horizonte", disse o co-autor Mislav Balokovic, da Universidade de Yale.

"Estou muito animado para ver esses resultados, juntamente com meus colegas que trabalham no SMA, alguns dos quais estiveram diretamente envolvidos na coleta de alguns dos dados para esta vista espetacular da M87", disse o co-autor Garrett Keating, um cientista do projeto Submillimeter Array. "E com os resultados de Sagitário A * - o enorme buraco negro no centro da Via Láctea - saindo em breve e a retomada da observação este ano, esperamos resultados ainda mais surpreendentes com o EHT nos próximos anos."

Mais informações: J. C. Algaba et al. Broadband Multi-wavelength Properties of M87 during the 2017 Event Horizon Telescope Campaign, The Astrophysical Journal Letters (2021). DOI: 10.3847/2041-8213/abef71

Fonte: Phys