Novas pesquisas sugerem que futuras imagens de buracos negros podem ser suficientemente precisas para permitir aos cientistas determinar se estes objetos são descritos com precisão pela teoria da gravidade de Albert Einstein, a relatividade geral – ou se podem ser melhor modelados por outras teorias.
Este tipo de pesquisa sobre buracos negros é possível graças a um avanço na tecnologia de imagem de buracos negros telescópio horizonte de eventos (EHT), que divulgou a primeira imagem de um buraco negro em 2019. Esta imagem concentra-se em buraco negro supermassivo Localizado no centro da distante galáxia M87. Na verdade, a nossa galáxia tem o seu próprio buraco negro supermassivo central, chamado Sagitário A* (Sgr A*), cuja imagem também foi revelada em 2022 pela colaboração EHT.
“Desenvolvemos um método prático, apoiado por simulação, para comparar imagens de gás quente em torno de buracos negros previstos pela teoria da relatividade geral de Einstein com imagens que se desviam das previsões da relatividade geral”, disse o autor principal do estudo, Akhil Uniyal, da Universidade Jiao Tong de Xangai, na China, ao Space.com. “Simulações tridimensionais realistas de gás e campos magnéticos para uma série de espaços-tempos hipotéticos de buracos negros geraram imagens sintéticas e definiram métricas de comparação de imagens para quantificar quão diferentes são as duas imagens.
“O principal resultado é que, embora muitas das alternativas pareçam muito semelhantes aos buracos negros ‘padrão’ com a qualidade de imagem atual, as diferenças aumentam previsivelmente à medida que a resolução e a fidelidade da imagem melhoram, identificando a próxima geração de imagens à escala do horizonte que podem diferenciar entre buracos negros einsteinianos e não-einsteinianos.”
Receita do buraco negro de Einstein
Em 1915, mais de 100 anos depois de o EHT ter capturado imagens de buracos negros, Einstein propôs a sua “teoria geométrica da gravidade”, que ficou conhecida como “teoria geométrica da gravidade”. relatividade geral. Até agora, a melhor descrição que temos da gravidade é a de Isaac Newton.
Ao contrário de Newton, Einstein propôs que objetos com massa distorcem a estrutura do espaço e do tempo, unificando-os em uma única entidade chamada “espaço-tempo”. A “gravidade” que experimentamos surge desta distorção. Quanto maior a massa de um objeto, mais extrema é a distorção do espaço-tempo que ele causa e maior é a sua influência gravitacional.
O conceito de buracos negros surgiu da relatividade geral em 1916, quando o astrofísico Karl Schwarzschild, que servia na Frente Oriental na Primeira Guerra Mundial, concebeu uma solução para as equações que sustentavam a relatividade geral (para surpresa de Einstein). Estas soluções mostram que a relatividade geral prevê que em regiões infinitesimais do espaço-tempo, onde a massa se torna infinitamente densa, as leis da física falham. Este ponto é a singularidade no centro do buraco negro. A solução também mostra que deveria haver um limite denominado raio de Schwarzschild em torno da singularidade, no qual a velocidade de escape desta região do espaço excederia a velocidade da luz. Isso é chamado de limite externo de captação de luz do buraco negro, ou horizonte de eventos.
No entanto, os cientistas especulam há muito tempo que a relatividade geral pode não ser a receita certa para os buracos negros. Esta é uma possibilidade atraente porque outras teorias de buracos negros podem não conter a inquietante singularidade central na qual a física, incluindo a relatividade geral, entra em colapso.
Por outro lado, estas teorias alternativas exigem frequentemente que as substâncias tenham propriedades muito específicas ou mesmo outras substâncias que violam as leis da física.
“Em termos gerais, existem buracos negros rotativos padrão de descrição geral
A teoria da relatividade, chamada de buracos negros de Kerr, e existem várias alternativas impulsionadas por diferentes teorias”, disse Yunial. “Todas essas alternativas são mais complexas ou complicadas do que as propostas por Einstein, mas ainda são teoricamente viáveis até serem comprovadas. “
Um grande obstáculo para testar teorias alternativas é o horizonte de eventos, que impede que qualquer informação proveniente do interior do buraco negro chegue a observadores externos. Com a imagem de buracos negros sendo agora um fator importante, e com melhorias nesta tecnologia de imagem no horizonte, Uniyal e colegas decidiram determinar o que os cientistas poderiam ver nessas imagens e nas sombras dos buracos negros que poderiam indicar desvios da relatividade geral.
“A sombra do buraco negro é o contorno escuro formado pela captura de fótons e pela forte gravidade.
“As lentes codificam a geometria do espaço-tempo muito próximo de um objeto compacto”, disse Uniyal. “Pequenos desvios métricos traduzem-se em pequenas mudanças sistemáticas no tamanho e forma das sombras e na forma como os halos se formam ao seu redor, de modo que medições precisas das sombras podem diagnosticar diretamente se a gravidade subjacente corresponde às previsões de Einstein.”
“Como o espaço-tempo em torno de um buraco negro controla as órbitas das partículas e os caminhos da luz, pequenas mudanças métricas podem alterar a posição da órbita do gás e como ele irradia”, continuou Yunial. “Isso pode alterar a dinâmica de acreção, a região de emissão do jato, a eficiência da radiação e os padrões de brilho e polarização vistos por observadores distantes. Em casos extremos, diferentes estruturas internas, como a falta de um verdadeiro horizonte de eventos, também podem levar a assinaturas observacionais qualitativamente diferentes.”
Os pesquisadores acrescentaram que futuras imagens de buracos negros com detalhes suficientes poderiam ser avaliadas para determinar se os dados são mais compatíveis com o buraco negro “a” descrito pela relatividade geral ou com o buraco negro “b” descrito por outra teoria.
“Os nossos resultados mostram que, quer consideremos os buracos negros ‘a’ ou ‘b’, a diferença será pequena, pelo que serão necessárias medições muito precisas. Felizmente, estas observações serão possíveis num futuro próximo,” disse Uniyal. “Dois resultados encorajadores e um tanto surpreendentes são que as diferenças entre os modelos crescem de forma sistemática e previsível com o aumento da resolução da imagem, o que significa que imagens de maior fidelidade realmente melhorarão as capacidades de teste, e que este estudo produz uma compreensão numérica concreta, em nível percentual, da incompatibilidade de imagens na qual os modelos se tornam distinguíveis, o que fornece alvos claros para futuros observatórios.”
Os próximos passos desta investigação incluem continuar a procurar melhorar a qualidade das imagens dos buracos negros, adicionando telescópios adicionais à rede de 11 instrumentos que compõem o EHT, bem como explorar potenciais instrumentos de interferometria de linha de base ultralonga baseados no espaço.
“A busca de diferentes cenários astrofísicos poderia impor restrições quantitativas aos desvios dos buracos negros de Kerr, se existirem, ou permitir que observações futuras detectem assinaturas de teorias alternativas”, disse Unial.
As descobertas da equipe foram publicadas na revista quinta-feira (30 de outubro) Astronomia Natural.
