Cientistas revelam região de queda num buraco negro prevista por Einstein

Um novo artigo científico revelou em pormenor como a matéria cai num buraco negro a partir do exterior do horizonte de acontecimentos.

Tal como prevê a teoria da gravidade de Einstein, existe um ponto em que a matéria deixa de circular em torno do buraco negro e cai diretamente, precipitando-se para lá do ponto sem retorno.

Agora, os dados de raios X de um buraco negro ativo permitiram finalmente encontrar provas da existência desta «região de queda».

«A teoria de Einstein previa que esta queda final existisse, mas esta é a primeira vez que conseguimos demonstrar que está a acontecer», afirma Andrew Mummery, físico teórico da Universidade de Oxford, no Reino Unido.

«É como um rio que se transforma numa cascata: até agora, tínhamos estado a observar o rio. Esta é a primeira vez que vemos a cascata.»

Como a matéria cai num buraco negro

A matéria que se aproxima de um buraco negro não segue uma trajetória retilínea. Gira à sua volta, como água em redemoinho, avançando em espiral e de forma inexorável para um ralo. Não se trata de uma simples figura de estilo: a comparação é tão adequada que os cientistas usam vórtices de água para estudar os ambientes em redor dos buracos negros.

Estudar os próprios buracos negros é um pouco difícil, porque a deformação do espaço-tempo à sua volta é extrema.

Contudo, há décadas, o trabalho teórico de Albert Einstein previu que, a partir de uma determinada proximidade do buraco negro, a matéria deixaria de conseguir manter uma órbita circular estável e cairia diretamente, tal como a água ao ultrapassar a borda do ralo usado na comparação.

Não há razão para pensar que assim não seja: a matéria tem de atravessar o horizonte de acontecimentos de alguma forma e a teoria da gravidade de Einstein resistiu ao escrutínio em todas as frentes. O que os astrofísicos desconheciam era se seria possível detetar essa queda.

Simulações e observações do buraco negro MAXI J1820+070

O trabalho de Mummery e dos seus colegas teve várias componentes. Uma delas consistiu em desenvolver simulações numéricas e modelos da região de queda que revelassem o tipo de luz por ela emitido. Em seguida, precisavam de encontrar provas observacionais que contivessem essa mesma emissão.

O buraco negro estudado situa-se num sistema chamado MAXI J1820+070, a cerca de 10 000 anos-luz de distância. O sistema contém um buraco negro com aproximadamente 8,5 vezes a massa do Sol e uma estrela companheira binária, à qual o buraco negro retira matéria enquanto os dois objetos orbitam. Alimenta-se assim por surtos que se manifestam sob a forma de oscilações na emissão de raios X.

Os astrónomos têm acompanhado este buraco negro para compreender melhor o seu comportamento. Por isso, os investigadores puderam aceder a dados de qualidade muito elevada, obtidos com os instrumentos de raios X NuSTAR e NICER, em órbita baixa da Terra. A equipa concentrou-se, em particular, num surto ocorrido em 2018.

Estudos anteriores já tinham assinalado um brilho adicional nas observações desse surto que não era possível explicar de forma satisfatória.

Um estudo de 2020 avançou a hipótese de que esse brilho poderia ter origem no interior da região da órbita circular estável mais interna, isto é, na zona de queda. Mummery e os seus colegas analisaram-no com especial atenção e verificaram que correspondia à emissão obtida nas suas simulações.

Uma nova forma de estudar a gravidade

Segundo os investigadores, este resultado confirma finalmente, sem margem para dúvidas, a existência da região de queda e fornece uma nova forma de investigar o regime gravitacional extremo imediatamente fora do horizonte de acontecimentos de um buraco negro.

«O que é realmente entusiasmante é que existem muitos buracos negros na galáxia e temos agora uma nova e poderosa técnica para os usar no estudo dos campos gravitacionais mais intensos que conhecemos», diz Mummery.

«Acreditamos que isto representa um novo e entusiasmante avanço no estudo dos buracos negros, permitindo-nos investigar esta última região à sua volta.

Só então poderemos compreender plenamente a força gravitacional. Esta queda final de plasma ocorre mesmo na fronteira de um buraco negro e mostra a matéria a responder à gravidade na sua forma mais intensa possível.»

A investigação foi publicada na revista Notícias Mensais da Real Sociedade Astronómica.