Pesquisadores confirmaram, de forma inédita, que o próprio tecido espaço-temporal sofre um “mergulho final” na fronteira de um buraco negro.
A observação desta região de mergulho ao redor de buracos negros foi realizada por astrofísicos da Física da Universidade de Oxford e contribui para validar uma previsão fundamental da teoria da gravidade de 1915 de Albert Einstein: a relatividade geral.
A equipe de Oxford fez a descoberta ao focar em regiões circundantes a buracos negros de massa estelar em sistemas binários com estrelas companheiras relativamente próximas à Terra. Os pesquisadores utilizaram dados de raios-X coletados por diversos telescópios espaciais, incluindo o Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) da NASA e o Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) acoplado à Estação Espacial Internacional.
Esses dados permitiram determinar o destino do gás ionizado quente e do plasma, arrancados de uma estrela companheira, ao realizarem o mergulho final na borda do respectivo buraco negro. Os achados demonstraram que essas denominadas regiões de mergulho ao redor de um buraco negro são os locais de algumas das regiões de influência gravitacional mais intensas já observadas em nossa galáxia, a Via Láctea.
“Esta é a primeira vez que observamos como o plasma, arrancado da borda externa de uma estrela, sofre sua queda final no centro de um buraco negro, um processo ocorrendo em um sistema a cerca de 10 mil anos-luz de distância”, afirmou o líder da equipe e cientista de Física da Universidade de Oxford, Andrew Mummery. “A teoria de Einstein previa que esse mergulho final existiria, mas é a primeira vez que conseguimos demonstrar seu acontecimento.”
“Pense nisso como um rio se transformando em uma cachoeira – até então, observávamos o rio. Este é nosso primeiro vislumbre da cachoeira.”
A teoria da relatividade geral de Einstein sugere que objetos com massa causam a curvatura do próprio tecido espacial e temporal, unificados como uma única entidade quadridimensional denominada “espaço-tempo”. A gravidade surge dessa curvatura resultante.
Embora a relatividade geral opere em 4D, ela pode ser aproximadamente ilustrada por uma analogia 2D. Imagine esferas com massas crescentes colocadas sobre uma folha de borracha esticada. Uma bola de golfe causaria uma leve depressão, quase imperceptível; uma bola de críquete levaria a uma depressão maior; e uma bola de boliche, uma depressão massiva. Analogamente, luas, planetas e estrelas “amassam” o espaço-tempo 4D. Conforme a massa de um objeto aumenta, também aumenta a curvatura que ele causa e, portanto, sua influência gravitacional se intensifica. Um buraco negro seria como uma bala de canhão nessa folha de borracha análoga.
Com massas equivalentes a dezenas ou até centenas de sóis comprimidas numa largura aproximada à da Terra, a curvatura espaço-temporal e a influência gravitacional de buracos negros de massa estelar podem se tornar bastante extremas. Buracos negros supermassivos, por outro lado, são um caso completamente diferente. Eles são massivamente densos, com massas equivalentes a milhões ou bilhões de sóis, ofuscando até seus análogos de massa estelar.
Retornando à relatividade geral, Einstein sugeriu que essa curvatura espaço-temporal leva a outras físicas interessantes. Por exemplo, ele disse, deve haver um ponto logo fora do limite do buraco negro onde partículas seriam incapazes de seguir uma órbita circular ou estável. Em vez disso, a matéria que adentrar essa região mergulharia em direção ao buraco negro em velocidades próximas à da luz.
Compreender a física da matéria nessa região hipotética de mergulho de um buraco negro tem sido um objetivo dos astrofísicos. Para abordá-la, a equipe de Oxford observou o que ocorre quando buracos negros existem em sistema binário com uma estrela “comum”.
Se os dois estiverem suficientemente próximos, ou se a estrela estiver ligeiramente inchada, a influência gravitacional do buraco negro pode arrastar material estelar. Como esse plasma possui momento angular, não pode cair diretamente no buraco negro – em vez disso, forma uma nuvem achatada girando ao redor dele, chamada de disco de acreção.
A partir desse disco de acreção, a matéria é gradualmente conduzida ao buraco negro. De acordo com modelos de alimentação de buracos negros, deve haver um ponto chamado órbita circular estável mais interna (ISCO) – o último ponto onde a matéria pode orbitar de forma estável no disco de acreção. Qualquer matéria além disso está na “região de mergulho” e inicia sua descida inevitável à goela do buraco negro. O debate sobre se essa região de mergulho poderia ser detectada foi resolvido quando a equipe de Oxford encontrou emissões logo além da ISCO de discos de acreção em torno de um buraco negro binário da Via Láctea chamado MAXI J1820+070.
Localizado a cerca de 10 mil anos-luz da Terra, com massa aproximada de oito sóis, o componente de buraco negro do MAXI J1820+070 está arrancando material de sua companheira estelar enquanto ejeta jatos gêmeos a cerca de 80% da velocidade da luz e produz fortes emissões de raios-X.
A equipe descobriu que o espectro de raios-X do MAXI J1820+070 em um surto no “estado macio”, o qual representa emissão de um disco de acreção ao redor de um buraco negro rotativo ou “Kerr”, é um disco de acreção completo, incluindo a região de mergulho.
Os pesquisadores afirmam que esse cenário representa a primeira detecção robusta de emissão de uma região de mergulho na borda interior de um disco de acreção de buraco negro; eles denominam esses sinais como emissões “intra-ISCO”. Essas emissões intra-ISCO confirmam a acurácia da relatividade geral na descrição das regiões imediatamente ao redor dos buracos negros.
