telescópios/arrays de telescópio associados ao Telescópio Horizonte de Eventos apontado para Messier 87. Este é o aspecto de um buraco negro supermassivo, e o horizonte de eventos é claramente visível. Evento Horizon Telescope collaboration et al.

Variedade não é apenas o tempero da vida, mas uma consequência natural de viver no nosso Universo. A gravitação, obedecendo às mesmas leis universais em todas as escalas, cria tufos e aglomerados de matéria num enorme conjunto de combinações, desde nuvens ténues de gás a estrelas maciças, todas reunidas em galáxias, aglomerados e uma grande teia cósmica.

Da nossa perspectiva sobre a Terra, há uma enorme quantidade a observar. No entanto, não podemos ver tudo. Quando as estrelas mais maciças morrem, os seus corpos tornam-se buracos negros. Com tanta massa em tão pequeno volume de espaço, nada – sem sinais de qualquer tipo – pode sair. Podemos detectar a matéria e a luz emitida em torno desses buracos negros, mas dentro do horizonte de eventos, nada escapa. Numa incrível história de sucesso para a ciência, acabamos de imitar com sucesso um horizonte de eventos pela primeira vez. Eis o que vimos, como o fizemos e o que aprendemos.

o do centro da galáxia M87, é cerca de 1000 vezes maior que o buraco negro da Via Láctea, mas está mais de 2000 vezes mais distante. O jacto relativista que emana do seu núcleo central é um dos maiores e mais colimados alguma vez observados. Esta é a galáxia que nos mostra o nosso primeiro horizonte de eventos, de sempre. ESA/Hubble e NASA

O que vimos? O que você vê depende de onde você olha e como você faz a sua observação. Se quisermos ver um horizonte de eventos, a nossa melhor aposta foi olhar para o buraco negro que pareceria maior da nossa perspectiva sobre a Terra. Isso significa que ele precisa ter a maior proporção de tamanho real, físico, para sua distância de nós. Enquanto pode haver até um bilhão de buracos negros presentes em nossa própria galáxia, o mais maciço que conhecemos – de longe – está localizado a aproximadamente 25.000 anos-luz de distância: no centro da galáxia Via Láctea.

Este é o maior buraco negro, em termos do tamanho angular de seu horizonte de eventos, visível da Terra, com uma massa estimada de 4 milhões de Sóis. O segundo maior é muito mais distante, mas muito, muito maior: o buraco negro no centro de M87. Este buraco negro é estimado em 60 milhões de anos-luz de distância, mas pesa a cerca de 6,6 bilhões de Sóis.

silhueta contra o pano de fundo das emissões de rádio por trás, são reveladas pelo Telescópio de Eventos Horizontais numa galáxia a cerca de 60 milhões de anos-luz de distância. A massa do buraco negro no centro do M87, como reconstruído pelo Telescópio de Eventos Horizontais, acaba por ser de 6,5 bilhões de massas solares. Evento Horizon Telescope collaboration et al.

O Evento Horizon Telescope tentou imaginar os horizontes de eventos de ambos, com resultados mistos. Originalmente estimado como sendo ligeiramente maior do que o seu homólogo M87, o buraco negro no centro da Via Láctea – conhecido como Sagitário A* – ainda não teve o seu horizonte de eventos imitado. Quando se observa o Universo, nem sempre se obtém o que se espera; às vezes, obtém-se o que ele nos dá. Em vez disso, foi M87′s buraco negro que passou primeiro, que foi um sinal muito mais brilhante e muito mais limpo.

O que encontramos é espectacular. Aqueles pixels escuros no centro da imagem são na verdade a silhueta do próprio horizonte do evento. A luz que observamos vem da matéria acelerada e aquecida ao seu redor, que deve emitir radiação eletromagnética. Onde a matéria existe, ela emite ondas de rádio, e o círculo escuro que vemos é onde as ondas de rádio de fundo são bloqueadas pelo próprio horizonte do evento.

buraco no centro da nossa galáxia: Sagitário A*. Tem uma massa de cerca de quatro milhões de Sóis, e é encontrado cercado por gás quente, emissor de raios X. Raio-x: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI

Para M87, vimos tudo o que podíamos ter esperado. Mas para Sagitário A*, não tivemos tanta sorte.

Quando se vê um buraco negro, o que se está a tentar ver é a luz de fundo do rádio que rodeia a enorme massa no centro de uma galáxia, onde o horizonte de eventos do próprio buraco negro se encontra no primeiro plano de parte da luz, revelando uma silhueta. Isto requer três coisas a seu favor:

1. Você precisa ter a resolução certa, o que significa que seu telescópio (ou matriz de telescópio) precisa ver o objeto que você está vendo como mais de um único pixel.
2. Você precisa de uma galáxia que seja rádio alto, o que significa que ela emite um fundo de rádio que é suficientemente forte para realmente se destacar contra a silhueta do horizonte de eventos.
3. E você precisa de uma galáxia que seja radio-transparente, significando que você pode realmente ver até o buraco negro sem ser confundido por sinais de rádio em primeiro plano.

a do centro da galáxia M87, é mostrada em três vistas aqui. Na parte superior é óptico de Hubble, na parte inferior esquerda é o rádio de NRAO, e na parte inferior direita é o raio X de Chandra. Apesar de sua massa de 6,6 bilhões de sóis, ela está mais de 2000 vezes mais distante que Sagitário A*. O Telescópio Horizonte de Eventos tentou ver o seu buraco negro no rádio, e teve sucesso, onde a sua visão de Sagitário A* não era. Em cima, óptico, Telescópio Espacial Hubble / NASA / Wikisky; em baixo à esquerda, rádio, NRAO / Very Large Array (VLA); em baixo à direita, raio X, NASA / Telescópio de raio X Chandra

Vimos muitas vezes as emissões estendidas em torno de buracos negros em muitos comprimentos de onda de luz, inclusive na parte de rádio do espectro. Embora M87 possa cumprir todos os três critérios necessários, o buraco negro no centro da nossa própria galáxia não tinha uma relação sinal/ruído suficiente para criar uma imagem, possivelmente devido aos níveis muito mais baixos de intensidade de radiação. É pena, pois teríamos adorado uma imagem melhor de um segundo buraco negro, e o maior, por tamanho angular, no céu da Terra. Nós conseguimos o Universo que temos, no entanto, não aquele que esperamos.

O terceiro maior buraco negro como visto da Terra está no centro da distante galáxia NGC 1277. Embora o Telescópio Horizonte de Eventos tenha a resolução certa para vê-lo, é uma galáxia radio-silenciosa, e por isso não há fundo de rádio suficiente para ver a silhueta. O quarto maior buraco negro está perto, no centro de Andrómeda, mas nossa resolução, mesmo com o Telescópio Horizontes de Eventos, é muito baixa para vê-lo.

arrays contribuindo para as capacidades de imagem do Telescópio Horizonte de Eventos a partir de um dos hemisférios da Terra. Os dados obtidos de 2011 a 2017, e particularmente em 2017, permitiram-nos agora construir pela primeira vez uma imagem do horizonte de eventos de um buraco negro. APEX, IRAM, G. Narayanan, J. McMahon, JCMT/JAC, S. Hostler, D. Harvey, ESO/C. Malin

Como é que o vimos? Esta é uma das partes mais notáveis. O Telescópio Horizonte de Eventos, como qualquer telescópio, precisa de dois aspectos diferentes dos dados que coleta para cruzar um limiar crítico.

1. Precisa reunir luz suficiente para distinguir o sinal do ruído, regiões de rádio alto de regiões de rádio-silêncio, e a região ao redor do buraco negro do resto do ambiente ao redor do centro galáctico.
2. Precisa alcançar uma resolução suficientemente alta para que os detalhes precisos possam ser localizados na sua posição angular correta no espaço.

Precisamos de ambos para reconstruir quaisquer detalhes de qualquer objeto astronômico, incluindo um buraco negro. O Telescópio Horizonte de Eventos teve um enorme desafio a superar para obter uma imagem de qualquer buraco negro, devido ao seu tamanho angular.

simulado aqui, é o maior visto da perspectiva da Terra. O Telescópio Horizonte de Eventos acabou de sair com, hoje cedo (10 de Abril de 2019), a sua primeira imagem de como é o horizonte de eventos de qualquer buraco negro. O tamanho do horizonte de eventos (branco) e o tamanho da região desprovida de luz (preto) têm os rácios que eles prevêem pela teoria geral da Relatividade e a massa do próprio buraco negro. Ute Kraus, grupo de educação física Kraus, Universität Hildesheim; antecedentes: Axel Mellinger

Porque as regiões em torno dos buracos negros são aceleradas a velocidades tão grandes, a matéria dentro delas – composta de partículas carregadas – gera fortes campos magnéticos. Quando uma partícula carregada se move num campo magnético, ela emite radiação, e é daí que vêm os sinais de rádio. Mesmo um radiotelescópio de tamanho modesto, de apenas alguns metros de diâmetro, é suficiente para captar o sinal. Em termos de captação de luz, observar o sinal sobre o ruído é bastante fácil.

Mas a resolução é extremamente desafiadora. Depende do número de comprimentos de onda de luz que podem caber sobre o diâmetro do seu telescópio. Para visualizar o pequeno buraco negro no centro da nossa galáxia, precisaríamos de um telescópio óptico com um diâmetro de 5.000 metros; no rádio, onde as ondas são muito mais longas, precisaríamos de um diâmetro de cerca de 12.000.000 metros!

telescópios participantes do Telescópio Horizonte de Eventos (EHT) e do Global mm-VLBI Array (GMVA). Pela primeira vez, ele imprimiu a sombra do horizonte de eventos de um buraco negro supermassivo. ESO/O. Furtak

É por isso que o Telescópio Horizontais de Eventos é tão poderoso e inteligente. A técnica que utiliza é conhecida como Interferometria de Linha de Base Muito Longa (VLBI), que basicamente toma dois ou mais telescópios que podem fazer os mesmos tipos de observações a partir de dois locais distintos, e os tranca juntos.

Ao tomar observações simultâneas, você só obtém o poder de recolha de luz dos pratos individuais adicionados juntos, mas você obtém a resolução da distância entre os pratos. Ao percorrer o diâmetro da Terra com muitos telescópios diferentes (ou matrizes telescópicas) simultaneamente, conseguimos obter os dados necessários para resolver o horizonte de eventos.

a velocidade tem sido o fator limitante em estudos do tipo EHT. O Proto-EHT começou em 2007, e foi capaz de não fazer absolutamente nenhuma das ciências que está fazendo hoje. Esta é uma captura de tela de uma palestra do cientista EHT Avery Broderick. Perimeter Institute

As taxas de dados foram incríveis:

• Regista uma onda a uma frequência que corresponde a 230 bilhões de observações por segundo.
• Que corresponde a 8 GB por segundo em cada estação.
• Com 8 estações de telescópios/arrastroscópios de telescópio, uma hora de observações contínuas dá-lhe 225 TB de dados.
• Durante uma semana de observação, que funciona até 27 PB (petabytes) de dados!

Todos para uma única imagem de um buraco negro. Depois que os módulos de dados para M87 foram reunidos, ele tinha 5 PB de dados brutos para trabalhar!

como fotografado com as nuvens de Magalhães sobre a cabeça. Um grande número de pratos próximos, como parte de ALMA, ajuda a criar muitas das imagens mais detalhadas em áreas, enquanto um número menor de pratos mais distantes ajuda a afiar os detalhes nos locais mais brilhantes. A adição de ALMA ao Telescópio Horizonte de Eventos foi o que a loucura em construir uma imagem do horizonte de eventos possível. ESO/C. Malin

Então, o que aprendemos? Bem, há um monte de coisas que aprendemos, e haverá muitas histórias sobre os diferentes detalhes e nuances que sairão nos próximos dias e semanas. Mas há quatro grandes “takeaways” que qualquer um deve ser capaz de apreciar.

Primeiro e mais importante, os buracos negros realmente existem! As pessoas têm inventado todo tipo de esquemas e cenários bizarros para evitá-los, mas a primeira imagem direta de um horizonte de eventos deve colocar todas essas dúvidas para descansar. Não só temos todas as evidências indiretas do LIGO, medidas gravitacionais das órbitas ao redor do centro galáctico, e os dados dos binários de raios X, mas agora temos uma imagem do horizonte do evento diretamente.

Segundo e quase como um estonteante, a Relatividade Geral ganha novamente! A teoria de Einstein previa que o horizonte de eventos seria esférico, em vez de oblato ou alongado, e que a região desprovida de radiação teria um tamanho particular baseado na massa medida do buraco negro. A órbita circular mais interna estável, prevista pela Relatividade Geral, mostra os fotões brilhantes que são os últimos a escapar da força gravitacional do buraco negro.

Após novamente, a Relatividade Geral, mesmo quando sujeita a um novo teste, emergiu invicta!

a Via Láctea pode aparecer no Telescópio Horizonte de Eventos, dependendo da sua orientação em relação a nós. Estas simulações assumem que o horizonte de eventos existe, que as equações que regem a relatividade são válidas, e que aplicamos os parâmetros certos ao nosso sistema de interesse. Note que estas são simulações que já têm 10 anos de idade, datando de 2009. Uau, se elas fossem boas! Imaging an Event Horizon: submm-VLBI of a Super Massive Black Hole, S. Doeleman et al.

Third, aprendemos que as nossas simulações para prever como deveriam ser as emissões de rádio em torno do buraco negro foram muito, muito boas! Isso nos diz que não só entendemos muito bem os ambientes ao redor dos buracos negros, mas que entendemos a dinâmica da matéria e do gás que a orbita. É um feito bastante espectacular!

E, em quarto lugar, aprendemos que a massa do buraco negro que inferimos a partir das observações gravitacionais está correcta, e a massa do buraco negro que inferimos a partir das observações de raios X é sistematicamente demasiado baixa. Para M87, estas estimativas diferiram por um fator de 2; para Sagitário A*, diferiram por um fator de 1,5,

Agora sabemos que a gravidade é o caminho a seguir, pois as estimativas de 6,6 bilhões de massa solar da M87′s gravidade concordam espetacularmente com a conclusão do evento Horizon Telescópios de 6,5 bilhões de massa solar. As nossas observações de raios X, de facto, estão enviesadas para valores demasiado baixos.

buraco negro supermassivo no núcleo da Via Láctea. Estas estrelas, quando observadas no infravermelho, podem ter suas órbitas rastreadas em apenas alguns anos-luz de Sagitário A*, permitindo-nos reconstruir uma massa para o buraco negro central. Métodos semelhantes, mas mais complicados, têm sido usados para reconstruir a massa gravitacional do buraco negro em M87. Ao resolvermos o buraco negro central diretamente em M87, pudemos confirmar que as massas inferidas a partir da gravitação correspondem ao tamanho real do horizonte de eventos, enquanto as observações de raios X não o fazem. S. Sakai / A. Ghez / W.M. Keck Observatory / UCLA Galactic Center Group

Haverá mais coisas a aprender enquanto continuamos a fazer ciência com o Telescópio Horizonte de Eventos. Podemos aprender porque é que os buracos negros se acendem, e se existem características transitórias que aparecem no disco de acreção, como as manchas quentes. Podemos aprender se a localização de um buraco negro central se move com o tempo, permitindo-nos inferir a existência de buracos negros menores, até então invisíveis, perto dos buracos centrais e supermassivos. Podemos aprender, à medida que recolhemos mais buracos negros, se as massas que inferimos para os buracos negros a partir dos seus efeitos gravitacionais ou das suas emissões de raios X, são universalmente tendenciosas ou não. E podemos aprender se os discos de acreção têm um alinhamento universal com suas galáxias hospedeiras ou não.

face-a-face (dois painéis da esquerda) ou edge-on (dois painéis da direita) pode alterar vastamente a forma como o buraco negro nos aparece. Não sabemos ainda se existe um alinhamento universal ou um conjunto de alinhamentos aleatórios entre buracos negros e discos de acreção. Rumo ao horizonte de eventos – o buraco negro supermassivo no Centro Galáctico’, Classe. Quantum Grav., Falcke & Markoff (2013)

Não podemos saber estas respostas apenas com os nossos primeiros resultados, mas isto é apenas o começo. Vivemos agora num mundo onde podemos imaginar directamente os horizontes de eventos de buracos negros. Sabemos que os buracos negros existem; sabemos que os horizontes dos eventos são reais; sabemos que a teoria da gravidade de Einstein foi agora confirmada de uma forma totalmente sem precedentes. E qualquer última dúvida persistente de que os super-homens nos centros das galáxias são realmente buracos negros evaporou-se agora.

Buracos negros são reais, e são espetaculares. Pelo menos na parte de rádio do espectro, graças à incrível conquista do Telescópio Horizonte de Eventos, estamos vendo-os como nunca antes.

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