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Astrónomos em busca dos elos perdidos dos buracos negros

Astrónomos em busca dos elos perdidos dos buracos negros

Uma compreensão mais profunda dos buracos negros poderia revolucionar a nossa compreensão da física, mas a sua natureza misteriosa torna-os difíceis de observar.

A estranheza demonstrada pelos buracos negros confunde-nos bastante. Formados quando uma estrela queima todo o seu combustível nuclear e colapsa sob a sua própria gravidade, os buracos negros são de tal modo estranhos que, em determinada altura, nem mesmo Einstein pensou que fossem possíveis.

São regiões no espaço com um campo gravitacional tão intenso que nem sequer a luz escapa à sua atração. Em tempos magníficas e brilhantes, estas estrelas queimam todo o seu combustível e colapsam até atingirem um tamanho relativamente pequeno, com toda a sua massa concentrada num pequeno espaço. Imagine-se o nosso Sol com o seu diâmetro de cerca de 1,4 milhões de quilómetros a transformar-se num buraco negro do tamanho de uma pequena cidade com apenas seis quilómetros de largura. Por serem imensuravelmente compactos, os buracos negros exercem uma imensa força gravitacional.

Não só absorvem a luz, podem também destruir estrelas com que se cruzem e até fundir-se uns com os outros. Este tipo de eventos emite erupções de energia que podem ser detetadas a milhares de milhões de anos-luz. O Prémio Nobel da Física de 2020 foi partilhado por cientistas que descobriram um objeto invisível no centro da Via Láctea que atrai estrelas na sua direção. Trata-se de um buraco negro supermaciço e tem uma massa milhões de vezes superior à do nosso Sol.

"Pensamos que exista um buraco negro supermaciço no centro de cada galáxia massiva", diz o astrofísico Kenneth Duncan, do Royal Observatory de Edimburgo, Reino Unido. "Também pensamos que desempenham um papel muito importante na formação das galáxias, incluindo a Via Láctea".

Monstros galácticos

Os buracos negros supermaciços são monstros gravitacionais do Universo. "Os buracos negros no centro das galáxias podem ter entre um milhão e uns poucos mil milhões de vezes a massa do nosso Sol," explica Phillip Best, astrofísico na Universidade de Edimburgo.

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Atraem gás e poeiras circundantes, até objetos tão grandes como estrelas. Pouco antes deste material passar o horizonte de eventos do buraco negro, ou ponto sem retorno, move-se rapidamente e aquece, emitindo energia na forma de erupções energéticas. Deste processo de ingestão, podem também ser ejetados potentes jatos de material que emitem ondas de rádio.

Estas podem ser detetadas na Terra através de radiotelescópios como o LOFAR europeu, com detetores no Reino Unido, Irlanda, França, Países Baixos, Alemanha, Suécia, Polónia e Letónia.

O cientista Kenneth Duncan está a monitorizar as observações com o LOFAR para identificar buracos negros massivos no âmbito de um projeto chamado HIZRAD, "com o objetivo de encontrar os primeiros e alguns dos buracos negros mais extremos do Universo".

O LOFAR pode até localizar buracos negros ocultos. Duncan tem utilizado técnicas de inteligência artificial para compilar dados provenientes do LOFAR e observações por telescópio para identificar objetos de interesse.

Tecnologia mais avançada

Em breve, terão o auxílio de melhores instrumentos nestas tarefas. Uma melhoria ao Telescópio William Herschel em La Palma, Espanha, irá permitir observar milhares de galáxias ao mesmo tempo. Um espetroscópio chamado WEAVE tem o potencial de detetar buracos negros supermaciços e observar a formação de estrelas e galáxias.

A parte mais surpreendente é que estes gigantes existiam nas fases iniciais do Universo. "É preciso concentrar toda esta massa num volume muito reduzido e fazê-lo de forma extremamente rápida, em termos da história do Universo," diz Best.

Depois do Big Bang, o Universo teve início na forma de uma nuvem de matéria primordial. Análises à radiação cósmica de fundo indicam que, a certa altura, pedaços de matéria se juntaram para formar estrelas. Todavia, "Não compreendemos totalmente o processo através do qual se forma um buraco negro com a dimensão de mil milhões de massas solares," diz Best.

Buracos negros de massa intermédia

Enquanto os estudos sobre buracos negros supermaciços decorrem, Peter Jonker, astrónomo da Universidade de Radboud em Nijmegen, nos Países Baixos, estuda a formação de buracos negros de dimensão intermédia (IMBH)

"O Universo teve início numa sopa homogénea de matéria, portanto, como é que se obtém pedaços que pesam mil milhões de vezes a massa do sol num curto espaço de tempo", questiona.

Enquanto os buracos negros supermaciços podem consumir estrelas semelhantes ao sol (chamadas anãs brancas) na totalidade, os de dimensão intermédia deverão ser suficientemente potentes para apenas as decompor, emitindo uma erupção de energia. "Há fortes indícios de que os buracos negros de massa intermédia existem, mas ainda não há provas disso".

"Estas erupções acontecem uma vez a cada 10 000 anos por galáxia, pelo que ainda não vimos nenhuma na nossa Via Láctea," diz Jonker, que procura erupções intensas de energia de raio X que revelem a presença de um buraco negro de massa intermédia. O problema é que quando os sinais são detetados, as erupções intensas apenas duram algumas horas. Isto significa que os dados chegam demasiado tarde para se apontar os telescópios óticos na direção da sua origem.

Erupções de raios X

O satélite Gaia, lançado em 2013, está a ajudar, mas uma missão planeada chamada Euclid irá permitir que sejam tiradas imagens com maior resolução, o que poderá ajudar Jonker a provar que os IMBH existem. Ariane 6.

Não obstante, está programado o lançamento de um pequeno satélite, o Einstein Probe chinês, para 2023, que irá procurar erupções de energia de raio X que poderão significar a presença de buracos negros de massa intermédia. Em Edimburgo, Duncan diz que a busca por buracos negros de massa intermédia está relacionada com a sua própria pesquisa. "Tem o potencial de nos poder ajudar a resolver a questão de onde vêm os buracos negros supermaciços," afirma.

Atualmente, os físicos recorrem à teoria quântica e às equações de Einstein para descrever o funcionamento do Universo.

"A teoria da gravidade perde a sua validade perto de um buraco negro e se os observarmos suficientemente de perto," explica Jonker. "A nossa expectativa é que iremos encontrar desvios da teoria e avanços importantes na nossa compreensão da forma como a física funciona.

A investigação neste artigo foi financiada pela UE. Este artigo foi originalmente publicado na Horizon, a Revista de Investigação e Inovação da UE. 

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