Nota do Editor, 23 de setembro de 2008: A revista Smithsonian apresentou o perfil da astrofísica Andrea Ghez em abril de 2008. Hoje, Ghez foi uma das 28 ganhadoras de um prestigioso prêmio MacArthur, reconhecendo suas contribuições para o estudo dos buracos negros na evolução das galáxias.
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Pesquisadores liderados por Andrea Ghez, um astrofísico da UCLA, usaram imagens de telescópios tiradas de 1995 em 2006 para criar essa animação mostrando o movimento de estrelas selecionadas no centro da Via Láctea. As órbitas dessas estrelas e cálculos feitos usando as leis Keplers do movimento planetário, fornecem a melhor evidência ainda para a existência de um buraco negro no centro da Via Láctea. De particular interesse são a estrela S0-2, que orbita o buraco negro uma vez a cada 15, 56 anos, e a estrela S0-16, que vem dentro de 90 unidades astronômicas (a distância da Terra ao Sol) do buraco negro.
Vídeo: Via Láctea
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Em cerca de quatro bilhões de anos a partir de agora, as galáxias da Via Láctea e de Andrômeda colidirão em conjunto: NASA, ESA, G. Besla, Universidade de Columbia e R. van der Marel, STScI.
Vídeo: O que acontece quando as galáxias colidem?
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- Dentro de buracos negros
Do cume do Mauna Kea, a quase 14.000 pés acima do Oceano Pacífico, a Via Láctea inclina-se de forma luminosa através do céu noturno, uma visão de ponta da nossa galáxia. Partes do grande disco são obscurecidas pela poeira, e além de um desses borrões empoeirados, perto do bule da constelação de Sagitário, fica o centro da Via Láctea. Escondido há uma estrutura profundamente misteriosa em torno da qual mais de 200 bilhões de estrelas giram.
Atrás de mim, sobre as rochas escarpadas desse vulcão adormecido na ilha do Havaí, estão as cúpulas gêmeas do Observatório WM Keck. Cada domo abriga um telescópio com um espelho gigante de quase 33 pés de largura e, como o olho de uma mosca, feito de segmentos interligados. Os espelhos estão entre os maiores do mundo para reunir a luz das estrelas, e um dos telescópios foi equipado com uma nova ferramenta deslumbrante que aumenta enormemente sua potência. Olho para o mais próximo dos graciosos braços espirais da Via Láctea enquanto espero que os técnicos abram o interruptor.
Então, de repente, e com o leve clique de uma veneziana se abrindo, um feixe de laser laranja-dourado dispara para o céu a partir da cúpula aberta. O raio de luz, com 18 polegadas de largura, parece terminar dentro de um dos pontos mais negros da Via Láctea. Na verdade, termina 55 milhas acima da superfície da Terra. O sinal que faz lá permite que o telescópio compense o borrão da atmosfera da Terra. Em vez de imagens nervosas borradas pelos rios de ar em constante mudança sobre nossas cabeças, o telescópio produz imagens tão claras quanto as obtidas por satélites no espaço. Keck foi um dos primeiros observatórios a ser equipado com um guia de laser; agora meia dúzia de outras pessoas estão começando a usá-las. A tecnologia fornece aos astrônomos uma visão nítida do núcleo da galáxia, onde as estrelas são tão compactas quanto um enxame de mosquitos no verão e giram em torno do lugar mais escuro de todos: um buraco negro gigante.
O buraco negro da Via Láctea é, sem dúvida, a coisa mais estranha da nossa galáxia - uma cavidade tridimensional no espaço dez vezes maior que o tamanho físico do nosso sol e quatro milhões de vezes a massa, um poço sem fundo do qual nada escapa. Cada grande galáxia, acredita-se agora, tem um buraco negro no seu núcleo. E pela primeira vez, os cientistas serão capazes de estudar os estragos que essas entidades incompreensíveis causam. Ao longo desta década, os astrônomos da Keck irão rastrear milhares de estrelas capturadas pela gravidade do buraco negro da Via Láctea. Eles tentarão descobrir como as estrelas nascem em sua proximidade e como distorce o tecido do próprio espaço. "Acho incrível que possamos ver estrelas voando pelo buraco negro de nossa galáxia", diz Taft Armandroff, diretor do Observatório Keck. "Se você tivesse me dito como um estudante de pós-graduação que eu veria isso durante a minha carreira, eu diria que era ficção científica."
Para ter certeza, a evidência para os buracos negros é inteiramente indireta; astrônomos nunca viram um. A teoria geral da relatividade de Albert Einstein previu que a gravidade de um corpo extremamente denso poderia entortar tão severamente um raio de luz que não poderia escapar. Por exemplo, se algo com a massa do nosso sol fosse encolhido em uma bola de um quilômetro e meio de diâmetro, ele seria denso o suficiente para aprisionar a luz. (Para a Terra se tornar um buraco negro, sua massa teria que ser comprimida até o tamanho de uma ervilha.)
Em 1939, J. Robert Oppenheimer, o homem creditado com o desenvolvimento da bomba atômica, calculou que tal compressão drástica poderia acontecer com as maiores estrelas depois de ficarem sem hidrogênio e outro combustível. Uma vez que as estrelas explodiram, Oppenheimer e um colega propuseram, o gás restante entraria em colapso devido à sua própria gravidade em um ponto infinitamente denso. Observações do telescópio nos anos 60 e 70 apoiaram a teoria. Alguns pesquisadores sugeriram que a única fonte de energia possível para algo tão luminoso quanto os quasares - bilhões de anos-luz de distâncias extremamente brilhantes - seria uma concentração de milhões de sóis reunidos pelo que os cientistas mais tarde chamaram de buraco negro supermassivo. Astrônomos então encontraram estrelas que pareciam girar em torno de entidades invisíveis em nossa Via Láctea, e concluíram que apenas a força da gravidade de pequenos buracos negros - contendo várias vezes a massa do nosso sol e conhecida como buracos de massa estelar - poderia manter as estrelas. em órbitas tão apertadas.
O Telescópio Espacial Hubble acrescentou à evidência de buracos negros nos anos 90, medindo a rapidez com que as partes mais internas de outras galáxias giram - até 1, 1 milhão de milhas por hora em grandes galáxias. As velocidades surpreendentes apontavam para núcleos contendo até um bilhão de vezes a massa do Sol. A descoberta de que os buracos negros supermassivos estão no centro da maioria das galáxias, se não de todos, foi uma das maiores conquistas do Hubble. "No início da pesquisa do Hubble, eu teria dito que buracos negros são raros, talvez uma galáxia em 10 ou 100, e que algo deu errado na história dessa galáxia", diz o cientista Douglas Richstone, da Universidade de Michigan. "Agora mostramos que eles são equipamentos padrão. É a coisa mais notável."
Mesmo do Hubble, no entanto, o núcleo da Via Láctea permaneceu elusivo. Se a nossa galáxia abrigasse um buraco negro supermassivo, ela ficaria quieta, sem os pontos de energia vistos pelos outros. O Hubble, que foi atualizado e atualizado pela última vez em 2009, pode rastrear grupos de estrelas perto dos centros de galáxias distantes, mas devido ao seu estreito ângulo de visão e às espessas nuvens de poeira da nossa galáxia, não pode levar o mesmo tipo de fotos em nossa galáxia. Outra abordagem seria rastrear estrelas individuais na vizinhança do buraco negro usando luz infravermelha, que viaja através da poeira, mas as estrelas eram muito fracas e muito lotadas para a maioria dos telescópios baseados em terra resolver. Ainda assim, alguns astrônomos nos anos 90 aventuraram-se que observações do núcleo da Via Láctea poderiam ser possíveis. Uma série de perguntas tentadoras poderia então ser abordada: Como as estrelas vivem e morrem naquele ambiente selvagem? O que um buraco negro consome? E podemos testemunhar, no coração da Via Láctea, o espaço e o tempo distorcidos previstos por Einstein há quase um século?
A sala de controle Keck fica a 32 quilômetros do telescópio, na cidade de Waimea. Para os pesquisadores de lá, o espetacular laser é visível apenas como um feixe de luz em um monitor de computador. Os astrônomos verificam seus cadernos e assistem a telas cheias de dados do telescópio, leituras do tempo e a última foto das estrelas que estão mirando. Eles usam um link de vídeo para falar com o operador do telescópio, que passará a noite toda na conferência. As coisas estão indo tão bem que não há muito o que fazer. O telescópio ficará trancado no mesmo lugar no céu por quatro horas; o laser está funcionando bem, e uma câmera acoplada ao telescópio leva uma exposição de 15 minutos atrás da outra em uma sequência automatizada. "Este é apenas o tipo de observação mais maçante que existe", diz o astrônomo da Universidade da Califórnia em Los Angeles, Mark Morris, desculpando-me.
Mesmo assim, há tensão na sala. Esta equipe de astrônomos, liderada por Andrea Ghez, da UCLA, está em uma competição contínua com astrônomos do Instituto Max Planck de Física Extraterrestre em Garching, na Alemanha. Desde o início dos anos 90, o astrofísico Reinhard Genzel e seus colegas estudaram o buraco negro no centro da Via Láctea usando o Telescópio de Nova Tecnologia e o Telescópio de Very Large no Chile. Ghez, 45, empurra seus alunos para tirar o máximo proveito de cada sessão de observação no Keck. Seis anos atrás, ela foi eleita para a Academia Nacional de Ciências - uma grande honra para alguém ainda na faixa dos 30 anos. "É fácil estar na vanguarda da astronomia se você tiver acesso aos melhores telescópios do mundo", diz ela.
Quase uma década atrás, as equipes americana e alemã independentemente deduziram que apenas um buraco negro gigante poderia explicar o comportamento das estrelas no núcleo da Via Láctea. Estrelas circundando uma massa pesada - seja um buraco negro ou uma grande estrela - viajam pelo espaço muito mais rápido do que as que circundam uma massa menor. Em termos visuais, a massa maior cria um funil mais profundo no tecido do espaço em torno do qual as estrelas giram; como folhas circulando em um redemoinho, quanto mais profundo o redemoinho, mais rápido as folhas giram. Outros astrônomos haviam visto estrelas em rápido movimento e nuvens de gás perto do centro da Via Láctea, de modo que tanto Ghez quanto Genzel suspeitaram que um denso aglomerado de matéria estava oculto de vista.
Compilando meticulosamente fotografias infravermelhas tiradas com meses e anos de distância, as duas equipes rastrearam as estrelas mais íntimas, aquelas a menos de um mês-luz do centro da galáxia. Combinadas, as imagens são como filmes em time-lapse dos movimentos das estrelas. "No início, ficou claro que havia algumas estrelas que estavam apenas transportando", lembra Ghez. "Claramente, eles estavam extremamente perto do centro." Algo os estava prendendo em um profundo redemoinho. Um buraco negro fazia mais sentido.
O argumento decisivo veio em 2002, quando ambas as equipes afiaram suas imagens usando óptica adaptativa, tecnologia que compensa o desfoque da atmosfera. Os cientistas seguiram estrelas que orbitam perigosamente perto do centro da galáxia e descobriram que a velocidade máxima da estrela mais rápida era de 3% da velocidade da luz - cerca de 20 milhões de quilômetros por hora. Essa é uma velocidade surpreendente para um globo de gás muito maior que o nosso sol, e convenceu até mesmo os céticos de que um buraco negro supermassivo era responsável por ele.
O embaçamento da atmosfera terrestre tem atormentado os usuários de telescópio desde os primeiros estudos de Galileu sobre Júpiter e Saturno há 400 anos. Olhar para uma estrela através do ar é como olhar para um centavo no fundo de uma piscina. Correntes de ar fazem o brilho da luz das estrelas ir e vir.
O buraco negro da nossa galáxia emite raios-X (visíveis aqui em uma imagem do telescópio do satélite Chandra) enquanto a matéria gira em sua direção. (Centro de Vôo Espacial Marshall / NASA) Na década de 1990, os engenheiros aprenderam a apagar as distorções com uma tecnologia chamada óptica adaptativa; os computadores analisam o padrão de jittering da luz das estrelas entrando em milissegundos por milissegundos e usam esses cálculos para acionar um conjunto de pistões na parte de trás de um espelho fino e maleável. Os pistões flexionam o espelho centenas de vezes a cada segundo, ajustando a superfície para neutralizar as distorções e formar um ponto central aguçado.
A tecnologia tinha uma limitação importante. Os computadores precisavam de uma luz clara como uma espécie de ponto de referência. O sistema funcionava apenas se o telescópio fosse apontado para perto de uma estrela ou planeta brilhante, limitando os astrônomos a apenas 1% do céu.
Ao criar uma estrela guia artificial onde quer que seja necessário, o laser do Keck Observatory remove essa limitação. O feixe de laser é sintonizado em uma freqüência que ilumina os átomos de sódio, que são deixados pela desintegração de meteoritos em uma camada da atmosfera. Os computadores de Keck analisam a distorção na coluna de ar entre o espelho do telescópio e a estrela criada pelo laser.
Dentro da cúpula do telescópio de 101 metros de altura, o sistema de laser fica dentro de um compartimento do tamanho de um barramento. O laser começa com 50.000 watts de potência, amplificando o feixe de luz dentro de uma solução de corante feita a partir de etanol à prova de 190. Mas quando a luz é ajustada à cor correta e sua energia é canalizada ao longo de um único caminho, sua potência diminui para cerca de 15 watts - ainda brilhante o suficiente para que a Administração Federal de Aviação exija que o observatório desligue o laser se um avião estiver esperado para voar perto de seu caminho. A várias centenas de metros de distância, o laser parece um feixe de lápis âmbar escuro. De um pouco mais longe, não é visível a todos. No que diz respeito ao resto da ilha, não há show de laser no Mauna Kea.
Identificar um buraco negro é uma coisa; descrevendo é outra. "É difícil pintar uma imagem que se relacione com o mundo como o entendemos, sem usar a complexidade matemática", diz Ghez certa tarde no centro de controle da Keck. No dia seguinte, ela pergunta a seu filho de 6 anos se ele sabe o que é um buraco negro. Sua resposta rápida: "Eu não sei, mamãe. Você não deveria?"
Mark Morris acha que "sumidouro" faz uma metáfora adequada para um buraco negro. Se você estivesse no espaço perto do buraco negro ", diz ele, " você veria as coisas desaparecerem de todas as direções. "
Tanto Ghez quanto Morris gostam de imaginar olhando de um buraco negro. "Este é o próspero centro da cidade da galáxia, comparado aos subúrbios onde estamos", diz Ghez. "As estrelas estão se movendo a velocidades tremendas. Você veria as coisas mudarem em uma escala de tempo de dezenas de minutos." Morris pega esse tema. "Se você olhar para o céu noturno de um belo pico de montanha, vai tirar o fôlego de quantas estrelas existem", diz ele. "Agora, multiplique isso por um milhão. É como seria o céu no centro da galáxia. Seria como um céu cheio de Júpiteres e algumas estrelas tão brilhantes quanto a Lua cheia."
Em um cenário tão magnífico, as leis da física são maravilhosamente distorcidas. Ghez e Morris esperam reunir a primeira evidência de que as estrelas de fato percorrem os estranhos caminhos orbitais previstos pela teoria da relatividade de Einstein. Se assim for, cada estrela traçaria algo como um padrão de um brinquedo de desenho do Espirógrafo: uma série de loops que gradualmente mudam de posição em relação ao buraco negro. Ghez acha que ela e seus colegas estão a vários anos de identificar essa mudança.
A cada nova descoberta, o núcleo da Via Láctea se torna mais desconcertante e fascinante. As equipes de Ghez e Genzel ficaram surpresas ao descobrir muitas estrelas jovens e massivas na vizinhança do buraco negro. Há dezenas deles, todos com apenas cinco a dez milhões de anos - bebês, em termos cósmicos - e são aproximadamente dez vezes mais maciços que nosso sol. Ninguém sabe ao certo como eles chegaram tão perto do buraco negro ou como eles chegaram a ser. Em outras partes da galáxia, estrelas gestantes requerem um ventre frio e calmo dentro de uma grande nuvem de poeira e gás. O núcleo galáctico é tudo menos calmo: a radiação intensa inunda a área, e a gravidade do buraco negro deveria destruir viveiros gasosos antes que qualquer coisa incida ali. Como Reinhard Genzel colocou em uma conferência há vários anos, essas jovens estrelas "não têm o menor direito de estar lá". É possível que alguns deles tenham nascido mais longe e migrado para dentro, mas a maioria dos teóricos acha que eles são jovens demais para esse cenário. Morris acha que a gravidade intensa comprime o gás em espiral em um disco ao redor do buraco negro, criando os novos sóis em um tipo de nascimento estelar que não é visto em nenhum outro ambiente galáctico.
Essas jovens estrelas se auto-destruirão daqui a alguns milhões de anos. E quando o fizerem, os mais massivos deixarão pequenos buracos negros. Morris teoriza que centenas de milhares desses buracos negros de massa estelar, acumulados a partir de gerações passadas de estrelas, enxameiam em torno do buraco negro supermassivo central. Os buracos negros de massa estelar têm apenas 20 milhas de largura, portanto, as colisões entre eles seriam raras. Em vez disso, Morris diz: "Você terá buracos negros passando uns pelos outros durante a noite e estrelas se movendo através deste derby de destruição. Uma falta entre um dos buracos negros e uma estrela poderia espalhar a estrela no buraco negro supermassivo ou fora do centro galáctico inteiramente ". Os teóricos acham que o buraco negro supermassivo pode engolir uma estrela uma vez a cada dezenas de milhares de anos - um evento que inundaria o centro da galáxia com radiação. "Seria um evento espetacular", diz Morris.
Astrônomos vêem sinais de tamanha gorgolejo quando examinam o interior da Via Láctea com radiografias e radiotelescópios, que detectam as ondas de choque de explosões passadas. Buracos negros gigantes em outras galáxias estão muito distantes para os astrônomos estudarem em profundidade, diz Avi Loeb, diretor do Instituto de Teoria e Computação do Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian em Cambridge, Massachusetts. É por isso que ele depende de todos os anúncios das equipes de Ghez e Genzel. "Os avanços feitos pelos observadores em tão pouco tempo foram realmente notáveis", diz ele. "Nós teóricos somos todos líderes de torcida para eles."
Loeb e outros estão pintando uma nova imagem de como o universo e seus 100 bilhões de galáxias evoluíram desde o Big Bang há 13, 7 bilhões de anos. Eles acreditam que todas as galáxias começaram com buracos negros “semeados” - dezenas a milhares de vezes a massa do nosso sol - que cresceram exponencialmente durante violentos ciclos de alimentação quando as galáxias colidiam, o que eles faziam com mais frequência quando o universo era mais jovem. e as galáxias estavam mais próximas. Em uma colisão, algumas estrelas são catapultadas para o espaço profundo e outras estrelas e gases afundam no buraco negro recém-combinado no centro das galáxias. À medida que o buraco negro cresce, Loeb diz, ele se transforma em um quasar furioso com gás aquecido a bilhões de graus. O quasar então explode o resto do gás da galáxia completamente. Depois que o gás é esgotado, Loeb diz: "o buraco negro supermassivo fica no centro da galáxia, dormente e faminto".
Parece que nossa Via Láctea, com seu buraco negro de tamanho modesto, absorveu apenas algumas galáxias menores e nunca alimentou um quasar. No entanto, uma colisão temível se aproxima. A grande galáxia mais próxima, chamada Andromeda, está em rota de colisão com a Via Láctea. Os dois começarão a se fundir cerca de dois bilhões de anos a partir de agora, formando gradualmente uma enorme galáxia que Loeb e seu antigo colega de Harvard-Smithsonian, TJ Cox, chamam de "Milkomeda". Os buracos negros centrais supermassivos das galáxias colidirão, devorando torrentes de gás e acendendo um novo quasar por um curto período de tempo nesta parte tranqüila do universo. "Estamos atrasados em relação a isso", observa Loeb. "Aconteceu com a maioria das outras galáxias desde o início." (A Terra não será expulsa da órbita do Sol pela colisão e não deverá ser atingida por nada durante a fusão. Mas haverá muito mais estrelas no céu.)
Deixando de lado o futuro perturbador de nossa galáxia, Loeb espera que em breve - talvez em uma década - tenhamos a primeira imagem do buraco negro supermassivo da Via Láctea, graças a uma rede global emergente de telescópios de "ondas milimétricas". Chamados pelo comprimento de onda das ondas de rádio que detectam, os instrumentos não verão o próprio buraco negro. Em vez disso, em conjunto, eles mapearão a sombra que lançam sobre uma cortina de gás quente atrás dela. Se tudo correr bem, a sombra terá uma forma distinta. Alguns teóricos esperam que o buraco negro esteja girando. Se assim for, de acordo com o arrastamento contra-intuitivo do espaço previsto por Einstein, nossa visão da sombra será distorcida em algo como uma lágrima inclinada e esmagada. "Seria o quadro mais notável que poderíamos ter", diz Loeb.
Na quarta e última noite das observações planejadas de Ghez, o vento e o nevoeiro no topo do Mauna Kea mantêm as cúpulas do telescópio fechadas. Então os astrônomos revisam seus dados das noites anteriores. As imagens das duas primeiras noites variaram de boas a excelentes, diz Ghez; a terceira noite foi "respeitável". Ela diz que está satisfeita: seus alunos têm o suficiente para mantê-los ocupados, e Tuan Do, da Universidade da Califórnia em Irvine, identificou algumas grandes e jovens estrelas para acrescentar à análise da equipe. "Sinto-me incrivelmente privilegiado por trabalhar em algo que me divirta muito", diz Ghez. "É difícil acreditar que buracos negros realmente existam, porque é um estado tão exótico do universo. Conseguimos demonstrar isso, e acho isso realmente profundo."
Ela passa a maior parte do tempo supervisionando o centro de comando em Waimea, mas ela esteve no topo de Mauna Kea para ver o laser em ação. Quando falamos sobre a visão hipnotizante, fica claro que Ghez aprecia uma ironia: os astrônomos amam o escuro e muitas vezes se queixam de qualquer fonte de luz que possa interferir em suas observações. No entanto, aqui estão eles, lançando um farol de luz nos céus para ajudar a iluminar a coisa mais negra que a humanidade pode esperar ver.
Esta história de Robert Irion ganhou o Prêmio David N. Schramm da American Astronomical Society de 2010 pelo Science Journalism.
