Apesar de décadas de estudo, os buracos negros ainda estão entre os objetos celestes mais poderosos e misteriosos já estudados. Por causa das forças gravitacionais extremas envolvidas, nada pode escapar da superfície de um buraco negro (incluindo a luz). Como resultado, o estudo desses objetos tem sido tradicionalmente confinado à observação de sua influência nos objetos e no espaço-tempo em sua vizinhança. Não foi até 2019 que a primeira imagem de um buraco negro foi capturada pelo Event Horizon Telescope (EHT).
Este feito foi possível graças a uma técnica conhecida como Very-Long Baseline Interferometry (VLBI), que permitiu aos cientistas ver o anel brilhante em torno do buraco negro supermassivo (SMBH) no centro da galáxia M87. Um novo estudo realizado por uma equipe internacional de astrônomos mostrou como uma missão de interferometria baseada no espaço pode revelar ainda mais segredos escondidos dentro do véu do horizonte de eventos de um buraco negro.
A pesquisa foi liderada por Leonid Gurvits, pesquisador do Joint Institute for Very Long Baseline Interferometry European Research Infrastructure Consortium (JIVE ERIC) e da Delft University of Technology. Ele foi acompanhado por pesquisadores do Instituto de Radioastronomia (INAF), do Instituto Holandês de Pesquisa Espacial (SRON), do Centro de Astrofísica Computacional do Instituto Flatiron, do Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica (CfA), da Iniciativa do Buraco Negro e várias universidades e institutos de pesquisa.
Como indicam em seu estudo, a resolução angular ultra-alta em astronomia sempre foi vista como uma porta de entrada para grandes descobertas. Nesse processo, conhecido como interferometria, vários observatórios coletam luz de um único objeto que, de outra forma, seria muito difícil de resolver. Nos últimos anos, os astrônomos confiaram no VLBI para detectar radiação nos comprimentos de onda milimétricos e submilimétricos. O co-autor do estudo, Dr. Zsolt Paragi, pesquisador do JIVE ERIC, disse por e-mail: “Em geral, imagens de alta resolução angular são obtidas na astronomia de três maneiras: aumentando o tamanho de nossos telescópios, observando a luz em comprimentos de onda mais curtos, e eliminar (ou pelo menos compensar) as perturbações causadas pela atmosfera terrestre.
“A radioastronomia foi pioneira no desenvolvimento de técnicas de imagem baseadas em interferometria, quando o sinal de diferentes telescópios a grandes distâncias são combinados de forma perfeita (em nossa terminologia: coerentemente). Neste caso, o fator final que determina o poder de resolução do instrumento é a distância entre os telescópios, que chamamos de linhas de base.”
Um bom exemplo disso é o Event Horizon Telescope (EHT), que capturou a primeira imagem de um buraco negro supermassivo (M87) em 10 de abril de 2019. Isso foi seguido em 2021 por uma imagem da região central da galáxia Centaurus A e o jato de rádio que emana dele. No entanto, essas imagens eram pouco mais do que círculos fracos, que representavam a luz presa no horizonte de eventos SMBH – o limite do qual nada (mesmo a luz) pode escapar.
No entanto, a imagem de M87 adquirida pelo EHT constituiu a primeira confirmação direta da existência de SMBHs e foi a primeira vez que as sombras ao redor foram fotografadas. Esta imagem também forneceu uma visão da matéria em queda ao redor do buraco negro supermassivo, distorcida pela gravidade extremamente forte. Nos últimos anos, disse o Dr. Paragi, ocorreram outros desenvolvimentos no campo do VLBI que oferecem uma amostra do que está por vir:
“Outro resultado fundamental nos últimos anos foi provar a origem cosmológica dos misteriosos flashes de rádio de duração de milissegundos que chamamos de rajadas de rádio rápidas. esses sinais muito breves, que são extremamente difíceis de captar mesmo com os interferômetros mais modernos.
“Estas imagens de comprimento de onda de centímetros não apenas mostram de qual galáxia os sinais vêm, mas também podem diminuir a posição do sinal para pequenas regiões dentro da galáxia que serão cruciais para a compreensão do fenômeno”.
De acordo com a comunidade astronômica, o próximo passo lógico é capturar o anel de fótons. Nesta região, a força gravitacional é tão forte que os fótons são forçados a viajar em órbitas. Nas imagens EHT, grande parte da luz desse anel foi espalhada antes de atingir a Terra, criando as imagens relativamente borradas que resultaram. Para aproveitar seu sucesso, o EHT de próxima geração (ngEHT) adicionará dez novos telescópios enquanto moderniza os que já fazem parte da rede.
No entanto, através de matrizes VLBI baseadas no espaço, os astrônomos poderão fornecer as imagens mais detalhadas dos anéis de fótons em torno de SMBHs e até mesmo dos próprios horizontes de eventos, de acordo com o Dr. Paragi. Para o bem de seu estudo, a equipe abordou o potencial de um futuro telescópio espacial VLBI conhecido como Terahertz Exploration and Zooming-in for Astrophysics (THEZA), que foi objeto de um white paper de Gurvits, Paragi e muitos dos membros da equipe que escreveram este último artigo.
Este artigo foi submetido como parte da ESA Voyage 2050, uma chamada aberta para propostas de missões científicas de grande porte que ocorrerão na linha do tempo de 2035-2050. Como os telescópios espaciais que estudam o cosmos na óptica, infravermelho, raios-X, rádio e outras partes do espectro, esse conceito exige um interferômetro baseado no espaço para estudar a física do espaço-tempo nas proximidades de SMBHs. Como o Dr. Paragi descreveu:
“Observar do espaço em comprimentos de onda muito curtos, milimétricos a submilimétricos, abrirá novas dimensões para o VLBI. As vantagens de uma missão baseada no conceito THEZA são duas. Por um lado, poder ir abaixo dos comprimentos de onda do Evento Horizon Telescope [ou o ngEHT], uma nova população de buracos negros supermassivos seria acessível para imagens de sombras de buracos negros resolvidas, que são obscurecidas por esses instrumentos.”
A equipe revisou todos os elementos do telescópio, incluindo sistemas de antenas, receptores, amplificadores de baixo ruído, osciladores locais, misturadores e transporte e processamento de dados. Eles descobriram que um interferômetro baseado no conceito THEZA atingiria os três objetivos principais de uma missão de astronomia de resolução angular ultra-alta. Em suma, estará livre de interferência da atmosfera da Terra e observará buracos negros em frequências mais altas e linhas de base mais longas do que nunca.
“Ao estudar sistemas únicos que consistem em pares próximos de buracos negros supermassivos, THEZA pode revelar processos que levaram a um crescimento acelerado de buracos negros no início do universo, que também teve uma forte marca na evolução das galáxias”, acrescentou o Dr. Paragi. “Mais importante, o THEZA ampliará nossos horizontes para a medição detalhada da sombra do buraco negro. Isso resultará em uma melhor compreensão da gravidade, o que é importante porque a gravidade desempenha um papel fundamental na formação do universo.”
Nos próximos anos, os observatórios da próxima geração contarão com detectores aprimorados e tecnologias de transmissão de dados para fornecer uma imagem ainda mais detalhada de alguns dos objetos mais misteriosos do universo. Estes incluem propostas como o telescópio espacial Spektr-M proposto, que deve ser lançado em 2030. Este instrumento será equipado com um espelho primário de 10 m (33 pés) capaz de observar o cosmos em comprimentos de onda submilimétricos a infravermelho distante .
O Telescópio Espacial James Webb (JWST), que atingiu seu destino orbital (L2) em janeiro e estava quase frio o suficiente (no final de abril) para iniciar as operações, realizará seus próprios estudos de interferometria em breve. Como parte do instrumento Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS), o Aperture Masking Interferometer (AMI) transformará a abertura total dos espelhos segmentados do JWST em uma matriz interferométrica.
Com os planos da NASA de enviar astronautas de volta à lua (como passado do Programa Artemis) e outras agências espaciais embarcando em programas de exploração lunar, existem até propostas para construir telescópios VLBI no lado oculto da lua – onde seriam livres de interferência atmosférica ou luminosa.
Publicado em 08/05/2022 21h29
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