Universo observável e a Primeira imagem de um buraco negro

A escala do Universo e a formação da primeira imagem de um buraco negro.

Por muito tempo se pensava que o universo era o Sol, os planetas conhecidos e as estrelas visíveis, mas com os estudos da astronomia e o uso de instrumentos de observação, o Universo se revelou muito maior do que imaginávamos. A primeira imagem de um buraco negro foi um verdadeiro desafio Astronômico, com apenas uma telescópio seria impossível de captar luz de um objeto tão remoto e desafiador, a solução foi usar o próprio planeta Terra para conseguir obter a imagem de um objeto tão distante de nós.
Trulli
Fig.1 - Diagrama da evolução do Universo desde o Big Bang, há cerca de 13,8 bilhões de anos atrás. O Universo estava num estado neutro 400 mil anos após o Big Bang e assim se manteve até que a radiação emitida pela primeira geração de estrelas começou a ionizar o hidrogênio. Após várias centenas de milhões de anos, o gás do Universo encontrava-se completamente ionizado.

O tamanho do Universo ainda é assunto de pesquisa no meio cosmológico. Se o Universo for infinito faz mais sentido falarmos em Universo observável. E para expressar o seu tamanho neste caso, devemos fazer o produto da velocidade da luz pela idade do Universo, que corresponde a aproximadamente 13.8 bilhões de anos-luz. Ou seja, a luz que vemos hoje do objeto mais distante que conseguimos observar, foi emitida há quase 14 bilhões de anos no passado.

Fica claro então que para medir distâncias astronômicas não podemos simplesmente utilizar das grandezas e parâmetros que dispomos no dia-dia, ou seja na nossa escala. Algumas unidades próprias foram definidas para ser utilizada na escala cósmica. Por exemplo, o ano-luz, como já citado é a distância que a luz leva pra percorrer em um ano. Calculando quantos segundos há em um ano e multiplicando pela velocidade da luz no vácuo ($3\times 10^8 m/s$), encontramos o valor do ano-luz em metros, que é de aproximadamente $9.5\times 10^{15}m$.

Outra notação bastante utilizada é a unidade astronômicas (UA), é mais específica para medidas e comparações do sistema solar. É uma unidade de distância que leva em conta a distância média entre a Terra e o Sol, ou seja, aproximadamente 150 milhões de km. Por exemplo a distância média do Sol até Marte é de 1.5 UA, de Jupiter é cerca de 5 UA, enquanto o planeta mais distante Netuno fica a aproximadamente 30 UA.

Uma unidade de medida similar a do ano-luz é o parsec (pc), que leva em conta a paralaxe de um segundo de arco. Sendo a paralaxe a alteração da posição aparente de um objeto devido o movimento do observador. A medição da paralaxe leva em conta o movimento orbital da Terra, por exemplo, uma única estrela é observada em julho e janeiro, de modo que o cateto da base tenha um comprimento de 1 UA. Como as estrelas estão muito longe, os ângulos formados são muito pequenos. Da figura 2 a tangente do ângulo em $p$ é aproximadamente o próprio $p$, e por isso a distância até a estrela próxima pode ser deduzida como $d=\frac{1UA}{p(rd)}$. Um parsec (1 pc) tem 206265 UA equivalente a 3.3 anos-luz, cerca de $3\times 10^{16}m$.

Trulli
Fig.2 - Observações de uma mesma estrela feitas em janeiro e em julho, de forma que a linha de base tenha um comprimento de duas UA. Essa geometria é utilizada para se medir a paralaxe da estrela.

Um outro fato importante é a distribuição de matéria no universo, mesmo sendo isotrópico, ou seja, qualquer direção que se olhe possui a mesma aparência, a matéria no Universo não é distribuída aleatoriamente. A distribuição de matéria é definida pela distribuição de galáxias em grandes escalas, pois estas se organizam em grupos. No vídeo abaixo vemos uma simulação da escala e estrutura do Universo observável partindo da Terra até os grandes aglomerados de galáxias.

Vídeo 1 - Simulação do Universo conhecido, partindo da Terra até a formação do mapa do Universo observável.

O Universo observável compreende toda matéria que pode ser observada da Terra, ou do espaço pelos telescópios, possui uma forma esférica, podendo conter até 2 trilhões de galáxias, que por sua vez, pode abrigar até 100 trilhões de estrelas, muitas delas semelhante ao Sol. Só a nossa galáxia, a Via láctea, pode conter mais de 160 bilhões de planetas. Para compreendermos melhor o Universo precisamos ir cada vez mais longe no espaço, e o desafio está em construir ferramentas e instrumentos de observação cada vez melhores e precisos.

A primeira imagem de um buraco negro

Recentemente em abril de 2019 foi divulgada a imagem de um buraco negro na constelação de Virgem a 53 milhões de anos-luz da Terra de uma galáxia elíptica chamada de Messier 87 (M87), uma das mais massivas do Universo. A imagem foi obtida através de um consórcio global de telescópios chamado EHT (Event Horizon Telescope). É uma rede global de rádios telescópios, que usa a Terra como detector, formado por oito telescópios nos quatro continentes que acumularam dados suficientes durante dois anos para formar a imagem do buraco negro desta galáxia. É uma galáxia dominante em seu grupo de aglomerados, se destacando através de um jato de matéria que se estende por mais de 5000 anos-luz. Na simulação abaixa vemos os pontos onde os telescópios do EHT estão localizados e interconectados, formando um “telescópio” do tamanho da Terra.

Vídeo 2 - Locais dos telescópios do consórcio EHT.

Na imagem abaixo vemos os telescópios que trabalharam conjuntamente para formar a imagem do buraco negro da galáxia M87. Como dito, estes telescópios estavam espalhados pelo planeta, mas em lugares estratégicos, para captar a luz (radiação) do buraco negro de M87. Conforme vemos a imagem, os oito telescópios estão em seis localidades: o ALMA e o APEX estão no deserto de Atacama, no Chile; o IRAM na Espanha em Sierra Nevada; o JCMT e o SMA ficam no Havaí; o LMT fica no vulcão de Sierra Negra no México; o SMT, no Arizona EUA; e o SPT na Estação do Polo Sul, na Antártida.

Trulli
Fig.3 - Observatórios dos oito telescópios que compõe o consórcio EHT.

A necessidade dessa estrutura, se deve o fato de que o buraco negro da galáxia M87 fica 2000 vezes mais distante da Terra do que o centro da Via Láctea, que apesar disso, ou seja, do buraco negro do centro da nossa galáxia estar mais próximo, uma grande concentração de gás e poeira impede a luz de chegar até a Terra, prejudicando as observações de seu núcleo. Logo, o único problema em relação ao buraco negro da galáxia M87 seria a distância, e para isso precisaria construir um telescópio do tamanho do planeta, que foi possível através do consórcio EHT.

Vídeo 3 - A Simulação mostra as distâncias em escala a partir da Terra até o Sol (149 600 000 km), do Sol até o centro da Via Láctea (25 600 ano-luz) e do centro da Via láctea até a galáxia M87 (54,8 milhões de ano-luz).

Este conjunto de telescópios conectados entre si, revelou a primeira evidência visual direta de um buraco negro supermassivo. Cada telescópio coletou parte da luz (radiação) vinda do buraco negro dando indicação de parte de sua estrutura, é como um quebra-cabeça onde cada telescópio monta parte da imagem. Porém, como essa luz é coletada de alguns locais da Terra, não é possível formar a imagem completa juntando todos os dados coletados, ou seja, faltam peças neste quebra-cabeça. Para isso foi desenvolvido um algoritmo que preenche as lacunas que faltam para formar a imagem do buraco negro. A figura 4 mostra a geração das possíveis imagens a partir dos dados coletados fornecidos pelos telescópios.

Para a escolha da imagem é feito uma limpeza que elimina dados indesejados como as interferências de rádios-comunicação terrestre, relâmpagos, ruídos gerado pelos telescópios entre outros. A partir daí várias imagens são geradas e comparadas como mostra a figura 4. Selecionam-se as imagens mais coerentes com as medições feitas pelos telescópios, e o algorítimo matemático preenche as lacunas reconstruindo a imagem até obter a imagem mais razoável de acordo com os dados fornecidos.

Trulli
Fig.4 - Formação da primeira imagem de um buraco negro a partir dos dados coletados pelos telescópios e a reconstrução da imagem pelo algorítimo matemático.

Em março de 2021, os astrônomos revelaram campos magnéticos na primeira imagem do buraco negro, medindo a polarização da radiação emitida, ou seja, mostrando a direção da onda eletromagnética na imagem do buraco negro. Essas medidas são fundamentais para explicar os jatos de matéria lançado pelo buraco negro para fora da galáxia M87, e também explicar a interação entre matéria em volta no disco e a que está sendo ejetada pelo buraco negro.

Trulli
Fig.5 - A primeira imagem de um buraco negro em luz polarizada mostrando a interação entre a matéria do disco de acreção fluindo em volta da parte escura.

Referências