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M87*: o primeiro buraco negro fotografado

Em abril de 2019 fomos deslumbrados com a primeira imagem real de um buraco negro. Como ela foi obtida? Como o EHT funciona?

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Galáxia M87 em luz visível e imagem infravermelha
A galáxia M87. O jato azul de plasma não aparece em luz visível, essa imagem é uma composição da foto do Hubble + imagem infravermelha.

A galáxia M87 (Messier 87, também chamada de NGC 4486) é bem interessante. Localizada a 53 milhões de anos-luz de nós, entre as constelações de Virgem e Coma Berenices, é uma das maiores galáxias elípticas que conhecemos, com cerca de 1 trilhão de estrelas. Ela se localiza no centro do Aglomerado de Virgem e possui milhares de aglomerados globulares satélites. Estima-se que há 12 mil aglomerados globulares orbitando M87, em comparação com a Via Láctea que possui entre 150 e 200 desses aglomerados.

Mas M87 não chama atenção apenas pelo seu tamanho, mas também pelo fato de seu núcleo galáctico abrigar um quasar. Um buraco negro supermassivo ativo que é uma das fontes de rádio mais brilhantes do céu. Esse buraco negro foi alvo de uma das mais importantes pesquisas da astrofísica recente, o Event Horizon Telescope (EHT). Vamos aprender mais sobre ele e sobre como o EHT conseguiu obter a primeira imagem real do horizonte de eventos de um buraco negro.

A primeira descoberta do buraco negro

O primeiro sinal de rádio foi identificado em 1947. Inicialmente, supunha-se que o sinal de rádio estava apenas “por cima” da imagem de M87, no entanto a fonte foi identificada como sendo de M87 de fato apenas em 1953, quando jatos relativísticos e fortes sinais de rádio foram identificados originando-se no núcleo dessa galáxia. Era um buraco negro, chamado de M87* (pronuncia-se “M87-estrela”).

Devido ao seu tamanho, M87* tem sido um dos mais famosos “campos de testes” para técnicas de medidas de massa de buracos negros. E ele é extremamente massivo. Bilhões de vezes a massa do nosso Sol. Em medições mais recentes do Event Horizon Telescope, de abril de 2019, calculou-se M87* como tendo 6,5 x 109 massas solares, ou seja, são 6.500.000.000 de vezes a massa do Sol. M87* está na lista dos buracos negros mais massivos já descobertos.

Um disco rotativo de matéria incandescente e gás ionizado, chamado disco de acreção, orbita o buraco negro. Esse disco rotaciona em velocidades de até 1000 km/s em um diâmetro de até 25000 UA (unidades astronômicas). O raio do horizonte de eventos de M87* tem 120 UA. Para efeito de comparação, a órbita de Plutão tem 39 UA. Caberiam três sistemas solares lado-a-lado dentro da sombra escura de M87*.

A extrema gravidade do buraco negro faz com que o trajeto dos fótons sejam distorcidos, gerando a imagem de um anel de luz. Imagem: Center for Astrophysics/Harvard & Smithsonian.

O jato relativístico de matéria emergindo de seu centro se estende por até 5000 anos-luz. Jatos relativísticos são raios de matéria ionizada emitidos pelos polos dos buracos negros ativos e acelerados a velocidades próximas da luz. Eles tem esse nome pois ao se aproximarem da velocidade da luz esses jatos de matéria demonstram efeitos previstos pela teoria da relatividade restrita.

Como o Event Horizon Telescope funciona

O Event Horizon Telescope (EHT) é composto por diversos radiotelescópios espalhados ao redor do mundo, funcionando juntos. Para observar o espaço profundo em detalhes cada vez maiores, precisamos de instrumentos cada vez mais sensíveis e telescópios de resolução angular cada vez maior. No caso do EHT, esses radiotelescópios espalhados pelo planeta funcionam juntos, combinando informações e ampliando a resolução o sinal, criando um telescópio de interferometria do tamanho da Terra, numa técnica chamada de VLBI, ou Interferometria de Longa Linha de Base.

A técnica é, de longe, análoga ao que astrofotógrafos amadores fazem ao empilhar imagens fotográficas para melhorar a resolução e reduzir ruído (técnica chamada de stacking).

O EHT é um projeto de colaboração internacional, envolvendo radiotelescópios localizados nos Estados Unidos, Chile, México, Espanha, França e Antártica, envolvendo mais de 60 institutos, universidades e agências espaciais de mais de 20 países diferentes (o Brasil está de fora).

Como a imagem foi produzida?

Katherine Bouman e as pilhas de HDs com dados do EHT. Os dados são transportados fisicamente de um local a outro.

Produzir uma imagem a partir de dados de uma série de radiotelescópios requer muito trabalho matemático. Quatro equipes independentes criaram imagens para avaliar a confiabilidade dos resultados. Esses métodos incluíam um algoritmo estabelecido em radioastronomia para reconstrução de imagens conhecido como CLEAN, bem como métodos de processamento de imagem autocalibrados para astronomia, como o algoritmo CHIRP. Os algoritmos que foram finalmente usados foram um algoritmo de máxima verossimilhança regularizado (RML) e o algoritmo CLEAN.

Para produzir a imagem do buraco negro de M87, ao todo foram coletados 5 petabytes de dados durante dois dias no ano de 2017 – 5 petabytes são 5.000.000 gigabytes. É simplesmente muita informação para ser transferida via Internet em tempo hábil. Os dados coletados em discos rígidos são transportados por aviões comerciais dos vários telescópios para o MIT Haystack Observatory e o Max Planck Institute for Radio Astronomy, onde os dados são analisados e correlacionados em um supercomputador composto por cerca de 800 CPUs, todos conectados por meio de uma rede de 40 Gbit/s.

Imagem de luz polarizada do buraco negro de M87 liberada em março de 2021 mostra linhas do campo magnético.

A primeira imagem do buraco negro de M87 (a imagem que ilustra a capa desse artigo) foi liberada em 10 de abril de 2019 e estampou jornais do mundo inteiro. Em março de 2021 foi divulgada uma nova imagem desse mesmo buraco negro, mas dessa vez uma imagem de luz polarizada mostrando como as linhas do campo magnético se comportam nesses objetos massivos.

Como a polarização é uma assinatura de campos magnéticos, esta imagem deixa claro que o anel do buraco negro está magnetizado. As observações da equipe e esta nova visão do objeto em M87 estão aprofundando a compreensão dos cientistas sobre a estrutura dos campos magnéticos do lado de fora de um buraco negro, pois permanece um mistério como jatos maiores do que a própria galáxia são emitidos do centro de buraco negro.

Referências

  • CASTELVECCHI, D. The first-ever image of a black hole is now a movie. Nature. Disponível em: <https://www.nature.com/articles/d41586-020-02717-3>. Acesso em: 10 de abr. de 2021.
  • Event Horizon Telescope. Array. Disponível em: <https://eventhorizontelescope.org/array>. Acesso em: 28 de mar. de 2021.
  • LANDAU, E. Black Hole Image Makes History; NASA Telescopes Coordinated Observations. NASA, Chandra X-Ray. Disponível em: <https://www.nasa.gov/mission_pages/chandra/news/black-hole-image-makes-history>. Acesso em: 5 de abr. de 2021.
  • M87. Britannica, The Editors of Encyclopaedia. Disponível em: <https://www.britannica.com/place/Virgo-A>. Acesso em: 2 de abr. de 2021.
  • Messier 87. The Messier Catalog. Disponível em: <http://www.messier.seds.org/m/m087.html>. Acesso em: 29 de mar. de 2021.

Brunno Pleffken Hosti

Professor. Graduando em Licenciatura em Física pela Pontifícia Universidade Católica do Paraná (PUCPR). Extensão em Astrofísica pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Editor do Espaço-Tempo.

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