Conforme o material gira em um buraco negro, ele forma um disco de acreção em forma de panqueca. E a luz que esses discos produzem é a chave para a compreensão dos objetos mais misteriosos do universo.

O disco de acreção de material brilhante ao redor de um buraco negro codifica informações vitais sobre o objeto extremo que ele circunda. Crédito da imagem: ESA / Hubble, M. Kornmesser

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Os buracos negros são regiões de escuridão austera, devorando tudo, até mesmo a luz, que chega perto demais. Mas o ambiente em torno de um buraco negro não é tão escuro. Os astrônomos frequentemente detectam grandes quantidades de luz fluindo de lá, emergindo de um fino disco de matéria chamada disco de acreção.

Um buraco negro imprime todas as suas características essenciais em seu disco de acreção, incluindo sua massa, rotação e campo gravitacional. Nos últimos 10 anos, estudar a luz desses discos se tornou um dos métodos centrais que os astrônomos usam para analisar os buracos negros. E os discos de acreção fornecem o único método conhecido para medir o spin de buracos negros supermassivos, que residem no centro de todas as grandes galáxias.

Talvez a mensagem mais exótica enviada a nós pelo disco de acreção de um buraco negro esteja relacionada à gravidade que ele sente. Em um estudo publicado em 22 de janeiro no The Astrophysical Journal, os pesquisadores usaram raios-X provenientes do disco de um buraco negro para medir precisamente como a gravidade desse buraco negro influencia a matéria e a luz nas proximidades. Eles compararam o que descobriram com o que esperariam com base na bem testada teoria da relatividade geral de Einstein.

De acordo com a relatividade geral, os buracos negros têm apenas algumas características definidoras principais. Dois deles são sua massa e seu spin. (Os buracos negros também podem ter uma terceira propriedade: carga elétrica.) Esses atributos (e somente eles) determinam a maneira como o buraco negro deforma o espaço-tempo em torno dele. E quando os físicos estudam a luz proveniente do disco de acreção de um buraco negro, eles ganham a capacidade de efetivamente “ver” o objeto invisível distante, potencialmente revelando essas características definidoras.

Redemoinhos de gravidade

“A imagem geral do disco de acreção é comum a muitos sistemas”, diz Cosimo Bambi, da Fudan University em Xangai, que é coautor do novo estudo. Qualquer coisa com um campo gravitacional significativo, como um planeta ou estrela, tende a atrair matéria, que então forma um anel em forma de panqueca.

A diferença com os discos de acreção dos buracos negros é que eles estão sujeitos a campos gravitacionais extremamente fortes. Essa intensa gravidade puxa a matéria agregada para órbitas que se movem rapidamente perto da velocidade da luz. E, à medida que toda essa matéria se mistura, quantidades inimagináveis de atrito fazem com que ela aqueça até milhões de graus. Essas temperaturas extremas fazem o disco de acreção brilhar, não apenas na luz óptica, como o elemento de aquecimento de um forno, mas também com uma luz mais energética. Ou seja, raios-X.

Mas há outro problema. Quando os pesquisadores visam buracos negros por meio de seus telescópios, eles observam os chamados “raios X rígidos” com 10 a 100 vezes mais energia do que o esperado apenas pelo aquecimento colisional. Os físicos determinaram que esses raios-X rígidos vêm de uma nuvem quase esférica de plasma extremamente quente de um bilhão de graus, chamada corona, que encapsula o buraco negro. Os fótons emitidos pelo disco de acreção atingem a corona e interagem com seu plasma de alta energia, dando à luz ainda mais energia.

Esses fótons reenergizados produzem efeitos notáveis no disco de um buraco negro. Eles vêm da corona de volta para o disco de acreção, ionizando seus átomos e fazendo com que fique fluorescente como um sinal de néon em escala cósmica. Mas, neste caso particular, os átomos que emitem a luz que os astrônomos estão interessados são de ferro. Esses átomos de ferro brilhantes produzem fótons com energias muito particulares, assim como os sinais de néon emitem luz de uma cor muito específica.

Mas, como os fótons precisam trabalhar para sair do imenso aperto gravitacional do buraco negro, eles podem perder até 80% de sua energia em sua jornada. Isso é conhecido como deslocamento para o vermelho gravitacional. Os caminhos dos fótons também são curvados pela forte gravidade do buraco negro, impedindo-os de escapar diretamente para nós. “Existem alguns fótons que circulam o buraco negro algumas vezes antes de chegarem ao observador”, diz Bambi.

Assim, em vez de luz com um único comprimento de onda, observamos uma ampla gama de raios-X vindos dos discos de acreção dos buracos negros, bem como alguns fótons com energias muito específicas associadas à fluorescência do ferro e outros elementos. Ao deslocar e dobrar esse rico espectro de cores, até o mais misterioso dos buracos negros pinta um quadro distinto.

A impressão deste artista mostra uma “mancha” de gás quente dentro do disco de acreção girando em torno de um buraco negro. Crédito da imagem: NASA / CXC / M. Weiss

Rastreando o giro

Os astrônomos medem o giro de um buraco negro estudando quanta energia a luz dos átomos do disco perdeu (como aparecem desviados para o vermelho). Quanto mais desviados para o vermelho forem esses fótons (quanto mais energia foi drenada deles), mais próximo o disco de acreção deve estar aninhado ao buraco negro, aumentando a atração gravitacional que ele sente. No entanto, o disco só pode se mover tão perto antes de ser completamente dilacerado pela gravidade incomparável.

É o giro de um buraco negro que determina o quão perto seu disco de acreção pode chegar antes de ser destruído. As órbitas dos átomos no disco são mais estáveis quando o buraco negro gira na mesma direção de seu disco, prevê a teoria. Além disso, quanto mais rápido um buraco negro gira, mais estável é seu disco. Assim, um buraco negro em rotação rápida tem um disco de acreção mais apertado, o que leva a mais desvios para o vermelho e manchas na luz emitida por ele. E medindo esse desvio para o vermelho, os astrônomos podem determinar a rotação do buraco negro.

Este método permitiu aos pesquisadores localizar os spins de numerosos buracos negros supermassivos, bem como buracos negros de massa estelar menores em sistemas binários, onde uma estrela companheira orbita ao redor do buraco negro. E saber a rotação de um buraco negro nos dá parte da imagem do espaço-tempo ao redor dele, nos dizendo em parte o quanto está deformando o universo ao seu redor, às vezes até arrastando o espaço-tempo para um passeio enquanto ele gira.

Cronometrando a massa

Em seguida, vamos pintar a outra metade do retrato de um buraco negro: os pesquisadores podem descobrir a massa de um buraco negro observando como as emissões de seu disco de acreção evoluem ao longo do tempo.

“Acho que o que todos concordam que está acontecendo, no nível básico, é que há uma variabilidade na taxa de acréscimo”, diz Adam Ingram, da Universidade de Oxford. “A quantidade de massa que vai para um buraco negro pode variar muito. Esses discos de acreção são coisas inerentemente muito barulhentas.” Isso porque os discos de acreção não são sólidos, eles são feitos de aglomerados e nós de material, girando e girando. Portanto, às vezes o buraco negro engole mais material, às vezes menos.

As causas desse ruído podem variar. Por exemplo, imagine que um disco de repente joga alguma matéria na coroa de seu buraco negro. Isso esquentaria a corona, enviando uma grande explosão de raios-X fortes. Quando essa explosão atinge o disco, ele, por sua vez, emite sua própria explosão de fluorescência. A quantidade de tempo que leva para os raios X rígidos se moverem da corona para o disco é chamada de tempo de passagem da luz.

Um buraco negro maior tem um tempo de cruzamento de luz maior e, portanto, exibe atrasos mais longos entre as duas erupções. E o tamanho do buraco negro está diretamente relacionado à sua massa. Ao medir esses atrasos, os pesquisadores podem inferir a massa do buraco negro. Para buracos negros de massa estelar, esses atrasos podem ser de apenas um ou dois milissegundos, enquanto para buracos negros supermassivos, eles podem se estender até um quarto de hora.

Esta técnica é chamada de medição de massa de reverberação. Ingram e seus colegas usaram a técnica para estimar a massa de um famoso buraco negro galáctico - Cygnus X-1- pela primeira vez em 2019. Cygnus X-1 é talvez o mais conhecido de todos os buracos negros porque foi o primeiro objeto confirmado como sendo um. “É o objeto óbvio para tentar [medição da massa de reverberação], porque é muito, muito brilhante e há muitas observações sobre ele”, diz Ingram. Estimativas anteriores colocavam a massa do buraco negro em cerca de 15 massas solares. Esses métodos examinaram a órbita da estrela companheira do buraco negro, que é visível à luz óptica. Mas usando suas medições de raios-X, a equipe de Ingram descobriu que a massa do Cygnus X-1 era significativamente maior, em torno de 25 massas solares.

Eles presumiram que seus resultados devem ter alguma margem de erro. Mas em um artigo publicado em 5 de março deste ano na Science, os pesquisadores revisaram a massa do buraco negro medida com as técnicas anteriores bem estabelecidas para pelo menos 21 massas solares. Isso está de acordo com a medição de Ingram, que, diz ele, demonstra as habilidades pioneiras dos métodos baseados em reverberação para medir a massa de buracos negros.

O observatório de raios-X NuSTAR da NASA é uma das muitas ferramentas que os astrônomos usam atualmente para estudar detalhadamente os discos de acreção ao redor dos buracos negros. Crédito da imagem: NASA / JPL

Testando o campo

Saber a massa e a rotação de um buraco negro nos diz quase tudo que precisamos saber sobre ele. Mas talvez o objetivo mais tentador para os astrônomos permaneça medir o forte campo gravitacional perto de um buraco negro. Enquanto a relatividade geral prediz a força desse campo, muitos físicos pensam que a teoria de Einstein, que explica como o universo funciona em escalas maiores, pode ser falha. Isso porque os físicos atualmente são incapazes de reconciliar as diferenças entre como a teoria da relativade geral e a quântica predizem que a matéria deve se comportar em escalas menores.

Motivados por esses problemas, Bambi e colaboradores mediram recentemente a força do campo gravitacional em torno de um sistema binário de buraco negro chamado GX 339-4. Este sistema tem um disco de acreção excepcionalmente ativo, exibindo fortes explosões de luz a cada poucos anos. É por isso que dois telescópios de raios-X, NuSTAR e Swift, observaram o disco simultaneamente em 2015.

De maneira crítica, os dois telescópios mediram tanto os raios-X comuns quanto as emissões de fluorescência com desvio para o vermelho ao mesmo tempo. A equipe então reproduziu as observações usando simulações que combinaram dois códigos, um para produzir cada tipo de emissão. Seus resultados mostram que as previsões da relatividade geral estão no caminho certo. E embora haja uma leve sugestão de desvio, é tão pequeno que os pesquisadores pensam que provavelmente se deve a um erro estatístico natural, e não a efeitos reais.

Para obter medições da relatividade geral que são ainda mais precisas, Bambi diz, será necessária a próxima geração de instalações astronômicas. Esses são instrumentos como o observatório de raios-X Athena da Agência Espacial Europeia, previsto para ser lançado em 2031. O Athena permitirá que os astrônomos façam medições ainda mais precisas dos discos de acreção, potencialmente encontrando quaisquer falhas ainda ocultas na relatividade geral.

Isto é, se houver alguma falha.

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Referência:

RORVIG, Mordechal. How doomed matter reveals the inner secrets of black holes. Astronomy, 20, out. 2021. Disponível em: <https://astronomy.com/news/2021/10/accretion-disks-reveal-inner-secrets-of-black-holes>. Acesso em: 25, out. 2021.