No centro da Via Láctea, a quase 26.000 anos-luz de distância, um aglomerado de estrelas circunda o buraco negro supermassivo conhecido como Sagitário A *. Como essas poucas dúzias de estrelas, chamadas de estrelas-S, se aproximam do buraco negro - que é cerca de quatro milhões de vezes mais massivo que o sol - sua imensa força gravitacional as leva a mais de 16 milhões de quilômetros por hora. De fato, a atração gravitacional de Sagitário A * é tão intensa que distorce a luz dessas estrelas quando elas se aproximam demais, esticando os comprimentos de onda na direção da parte vermelha do espectro eletromagnético.
Uma estrela em particular, S0-2, chega tão perto de Sagitário A * que os astrônomos descobriram que ela é um dos melhores laboratórios naturais para testar os limites de nossa teoria fundamental da gravidade: a relatividade geral de Einstein.
Por mais de duas décadas, astrofísicos têm acompanhado os movimentos de S0-2 para entender melhor o funcionamento da gravidade e testar a teoria de Einstein. Imaginando a posição da estrela e medindo o espectro de sua luz, os pesquisadores esperam determinar se a órbita de S0-2 em torno do buraco negro corresponde ao caminho previsto pela relatividade geral. Em um estudo publicado na revista Science, uma equipe internacional de astrônomos relata que o comportamento da estrela concorda com a teoria da gravidade de Einstein, confirmando que a relatividade geral ainda se mantém na região em torno de um buraco negro supermassivo - pelo menos por enquanto.
“Você quer testar a teoria tão extremos quanto o ambiente que puder… para essencialmente empurrar a teoria mais do que poderíamos prever”, diz Tuan Do, pesquisador da UCLA especializado no centro galáctico e principal autor do estudo. .
Imagem das órbitas de estrelas ao redor do buraco negro supermassivo no centro da nossa galáxia. Destaque é a órbita da estrela S0-2. Esta é a primeira estrela que tem medidas suficientes para testar a Relatividade Geral de Einstein em torno de um buraco negro supermassivo. (Keck / UCLA Galactic Center Group) A teoria geral da relatividade de Einstein descreve as três dimensões do espaço e a única dimensão do tempo como inerentemente ligadas a um “tecido” do espaço-tempo. Objetos maciços, como estrelas e buracos negros, distorcem esse tecido para esticar distâncias e diminuir o tempo, puxando objetos circunvizinhos em direção a eles. Percebemos esse efeito como gravidade - uma maçã caindo de uma árvore. Mas a luz também é afetada por forças gravitacionais, dobrando-se enquanto se move através do espaço-tempo distorcido em torno de um objeto massivo.
De acordo com a relatividade geral, buracos negros supermassivos como Sagitário A * criam uma grande curva no espaço-tempo, produzindo um campo gravitacional extremamente forte. Quando uma estrela se aproxima de um buraco negro, os fótons de luz emitida são puxados para o campo, e a luz que escapa e chega à Terra precisa sair do poço gravitacional do buraco negro. O resultado é que a luz observada tem energia mais baixa - uma freqüência menor e um comprimento de onda maior - produzindo um espectro mais vermelho. Os cientistas comparam as previsões da relatividade geral deste efeito, chamado redshift gravitacional, aos comprimentos de onda medidos da luz recebida de estrelas como S0-2 para testar se a teoria é verdadeira.
Vários outros fatores além da gravidade podem influenciar o redshift, no entanto, incluindo se um objeto está se afastando ou indo em direção ao observador. “O cerne da questão é, basicamente, você pode medir todos esses outros efeitos bem o suficiente para dizer com segurança que o que você está vendo é um redshift gravitacional, e não apenas outra maneira de ajustar basicamente a órbita do estrela ", diz.
S0-2 orbita Sagitário A * a cada 16 anos. Em maio de 2018, atingiu seu ponto mais próximo do buraco negro, chegando a 120 unidades astronômicas (pouco mais de 11 bilhões de milhas) e viajando a pouco menos de três por cento da velocidade da luz (cerca de 18 milhões de milhas por hora). Neste momento, o efeito redshift é particularmente notável, já que a atração gravitacional de Sagitário A * fica mais forte quando a estrela se aproxima. Em março e setembro do mesmo ano, a estrela também atingiu seus pontos de velocidade radial máxima e mínima, respectivamente, o que significa que estava se movendo mais rápido e mais lento em relação a um observador na Terra. Os sinais redshift desses três eventos são cruciais para mapear a forma da órbita da estrela, onde os efeitos da gravidade são os mais extremos.
“O sinal do redshift é mais forte no ponto de aproximação porque está mais próximo do buraco negro, mas não é onde é mais fácil de medir porque o que somos realmente sensíveis a… são mudanças na velocidade relativa, então você quer pegá-lo no lado ascendente e descendente desse sinal ”, diz Do.
À medida que a estrela S0-2 se aproxima do buraco negro no centro da nossa galáxia, a luz é esticada nas partes mais vermelhas do espectro eletromagnético, um fenômeno previsto pela teoria geral da relatividade de Einstein. (Nicole R. Fuller / National Science Foundation) Buracos negros supermassivos são playgrounds intrigantes para testar a física porque não se encaixam perfeitamente nas teorias dominantes de hoje. "Os buracos negros são muito maciços e extremamente compactos, então é como se a relatividade geral e a mecânica quântica colidissem", diz Do. Enquanto a mecânica quântica descreve as menores partículas do nosso universo - um reino onde geralmente a gravidade pode ser ignorada - a relatividade geral lida com objetos massivos que possuem imensos campos gravitacionais. Alguns físicos esperam que essas duas teorias cheguem ao auge no centro de um buraco negro, onde se acredita que uma imensa massa esteja contida em um volume infinitamente pequeno, um ponto conhecido como singularidade gravitacional.
“Quase todas as tentativas de entender a gravidade no nível quântico, e entender como ela se encaixa com outras forças da natureza, parecem sugerir que a relatividade geral é incompleta e deve quebrar ou desviar de alguma forma, e forte gravidade é onde isso aconteceria. ”, Diz Clifford Johnson, um físico teórico da Universidade do Sul da Califórnia que não esteve envolvido no estudo, em um email. “A vizinhança dos buracos negros, grandes e pequenos, está se tornando cada vez mais uma arena observacional para uma forte gravidade ... onde temos a chance de ver onde a relatividade geral se rompe [e] se isso acontecer, possivelmente revelando a física de nosso universo, e mais sobre a natureza do espaço e do tempo. ”
A equipe de pesquisa usou uma combinação de imagens de telescópio e espectroscopia para mapear a órbita de S0-2. Como a atmosfera ao redor da Terra está sempre se movendo, obscurecendo nossa visão do céu, eles confiaram na óptica adaptativa e em uma técnica chamada speckle imaging para capturar uma imagem nítida - essencialmente, usaram um espelho flexível, distorcido milhares de vezes por segundo por atuadores, e tirou fotos do céu para corrigir o embaçamento atmosférico.
“A atmosfera da Terra é ótima para os seres humanos, mas ruim para a astronomia. ... É como olhar para uma pedra debaixo de um rio e você está tentando medir a posição da pedra. ”Do diz. "Basicamente, estamos tentando remover o brilho das estrelas."
Lasers dos dois telescópios Keck propagaram-se na direção do centro galáctico. Cada laser cria uma estrela artificial que pode ser usada para corrigir o desfoque causado pela atmosfera da Terra. (Ethan Tweedie) Os pesquisadores traçaram uma órbita para S0-2 e compararam com previsões do modelo de relatividade geral e do modelo de física newtoniano mais simples. A equipe descobriu que a estrela estava se movendo quase 450 mil milhas por hora mais rápido do que o que a gravidade newtoniana poderia prever, e que o modelo de relatividade geral tinha 43 mil vezes mais chances de explicar suas observações.
"A teoria geral da relatividade de Einstein mais uma vez se mostra correta, dentro da precisão das medidas", diz Nikodem Poplawski, matemático e físico da Universidade de New Haven que não participou do novo estudo. Ele também aponta que os resultados suportam a existência de buracos negros como descrito pela relatividade geral. "Além do que foi observado em abril com a primeira foto de um buraco negro, agora temos mais evidências de que o que está dentro da nossa Via Láctea é um buraco negro supermassivo".
Um trabalho similar relatado no ano passado também afirmou que a órbita do S0-2 seguiu as previsões da relatividade geral. No entanto, esses novos resultados acrescentam evidências adicionais de três meses adicionais de dados obtidos quando a estrela estava mais próxima de Sagitário A * e o sinal do redshift foi o mais forte, incluindo o terceiro evento orbital crucial em setembro do ano passado.
"A possibilidade de você medir a relatividade geral no centro galáctico existe há uma década", diz Do. "Dizer que podemos finalmente fazer isso - isso para mim sinaliza o início de uma era de testes de gravidade ainda maiores em torno do centro da galáxia e abre muitos caminhos para mais ciência em torno do buraco negro supermassivo". a equipe de pesquisa continuará rastreando os movimentos das estrelas-S, investigando mais profundamente os mistérios dos buracos negros e a física que governa nosso universo.
