A teoria da relatividade geral de Einstein foi formulada há pouco mais de 100 anos. Mas, entre as décadas de 1920 e 1950, só conheceu desenvolvimentos significativos nas mãos de um punhado de físicos eastrônomos explorando, tal Georges Lemaitreas implicações das equações relativísticas da gravitação na cosmologia, e tal Einstein buscando generalizar sua teoria para incorporar a força eletromagnética e deduzir as propriedades das partículas elementares então conhecidas. Tentativas vãs nestes últimos pontos, tanto que a maioria dos físicos e cientistas astrofísicos da época se concentrará principalmente no desenvolvimento das consequências da descoberta por Heisenberg e Schrödinger das equações da mecânica quântica nas áreas de físico atômico e nuclear, e para criar a teoria de campo quântica e relativística envolvida nisso.
Sagittarius A*, um laboratório de astrofísica
Este ano de 2025 celebraremos o centenário da descoberta dessas equações por Heisenberg. Mas, incontestavelmente, como o vencedor do Prémio Nobel da Física, Subrahmanyan Chandrasekhar, gostava de nos lembrar: “ a teoria da relatividade geral é uma teoria da gravitação e, como a teoria newtoniana da gravitação, que ela refina e amplia, seu lareira natural é astronomia “, de modo que experimentou um renascimento a partir da década de 1960 com a descoberta de quasaresde radiação fóssil de Big Bang e finalmente, pulsares.
É a partir destes anos, e especialmente durante a década de 1970, que desenvolveremos intensamente a física da buracos negrosdo ondas gravitacionais e também explorar alternativas à teoria da gravitação de Einstein que, embora assumindo que existe a mesma espaço-tempo curva, postularemos equações diferentes das de Einstein (vamos testá-las durante estes anos no Sistema solar e com pulsares binário). Os buracos negros tornar-se-ão então, neste contexto, laboratórios teóricos que permitirão testar tanto as consequências mais fundamentais da física de Einstein dos espaços-tempos fortemente curvos como as destas alternativas. Perceberemos cada vez mais que eles são a chave para o comportamento de núcleos galácticos ativos e que influenciam fortemente a evolução deste último. Também compreenderemos que os buracos negros devem conter as chaves para uma teoria quântica da gravitação, uma provável chave, por sua vez, para o nascimento daUniversodo matéria que contém e o aparecimento de galáxias e das grandes estruturas que as unem.
Acontece que achamos que temos sorte de ter um buraco negro disponível para estudar através de observações desta vez todas essas questões em nosso Via Láctea e é supermassiva, como no coração de quase todas as outras grandes galáxias, principalmente espirais ou elípticas. Inicialmente, sem sabermos, descobrimos isso na forma de uma fonte de rádio intensa no constelação de Sagitário. É referido como Sagitário A* (Sgr A*) e está localizado a aproximadamente 27.000 anos-luz do Sistema Solar.
De EHT a James-Webb
Durante décadas, o progresso no seu estudo será feito essencialmente através do estudo do movimentos de alguns estrelas entes queridos ao redor Sagitário A*. Esses movimentos combinados com outras observações em vários comprimentos de onda indicam que existe um objeto muito compacto que não irradia como uma estrela e, portanto, se comporta, em muitos aspectos, como um verdadeiro buraco negro do ponto de vista astrofísica. Os estudos sobre estes movimentos foram realizados principalmente pelos ganhadores do Prêmio Nobel de Física Reinhard Genzel e Andrea Ghez e mostraram que o objeto compacto revelado tinha uma massa um pouco mais de 4 milhões de vezes maior que Sol.
Se for de fato um buraco negro, o que implica que tem um horizonte de eventos que define uma espécie de membrana fechada que só pode ser atravessada em uma direção – porque seria necessário ir além velocidade da luz para sair dele -, ainda não sabemos muito bem se ele é descrito pela solução das equações de Einstein para um buraco negro sem rotação, a famosa solução de Schwarzschild, ou em rotação como pensamos, o que implica que o espaço-tempo é o da chamada solução de Kerr.
Esta representação artística da explosão no infravermelho médio de Sgr A* captura a variabilidade, ou mudança de intensidade, da explosão à medida que as linhas do campo magnético do buraco negro se aproximam umas das outras. O subproduto desta reconexão magnética é a emissão síncrotron. A emissão observada na explosão intensifica-se à medida que os electrões energizados se movem ao longo das linhas do campo magnético do buraco negro a uma velocidade próxima da luz. Da esquerda para a direita, vemos o início e o fim da erupção no disco de acreção com matéria em rotação. © CfA, Mel Weiss
Mais recentemente, como mostra o vídeo no início deste artigo, estes são os membros da colaboração Telescópio Horizonte de Eventos que se concentrou no estudo de Sagitário A* no campo das ondas eletromagnéticas acessíveis aos radiotelescópios. Mas, pela primeira vez, estas observações foram complementadas por aquelas que se tornaram possíveis no domínio dainfravermelho significa os instrumentos de Telescópio Espacial James Webbo JWST.
Como demonstra um artigo publicado, cuja versão está disponível gratuitamente em arXivuma equipe internacional liderada por astrônomos do Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) detectou pela primeira vez uma explosão no infravermelho médio no disco de acréscimo em torno do buraco negro Sgr A* graças ao JWST. O infravermelho médio permite observar objetos e fenômenos, como os equivalentes de explosões solaresque muitas vezes são difíceis de observar em outros comprimentos de onda devido à poeira impenetrável.
Um análogo de explosões solares magnéticas
Em comunicado, Joseph Michail, um dos principais autores do artigo e pesquisador de pós-doutorado em Harvard CfA, explica: “ A erupção Sgr A* estava evoluindo e mudando rapidamente, em poucas horas, e nem todas essas mudanças são visíveis em todos os comprimentos de onda. Há mais de 20 anos que sabemos o que estava a acontecer no domínio da rádio e o que estava a acontecer no infravermelho próximo, mas a ligação entre os dois nunca foi clara ou 100% certa. Esta nova observação no infravermelho médio preenche esta lacuna e conecta os dois. »
Poderemos assim testar melhor a modelos digitais descrevendo o que está acontecendo no disco de acreção turbulento do buraco negro supermassivo e que prevêem erupções, de acordo com mecanismos magneto-hidrodinâmicos e físicos de plasma encontrados por trás das erupções solares mais conhecidas. Na verdade, numerosas simulações sugerem que as erupções do Sgr A* são causadas pela famosa reconexão das linhas de campo magnético no disco de acreção turbulento. Observamos assim no caso do Sol que quando duas linhas de campo magnético se aproximam, elas podem se conectar e liberar uma grande quantidade de seus energia alimentando oemissão chamado síncrotronelétrons movendo-se a velocidades próximas à velocidade da luz ao longo das linhas do campo magnético.
As novas observações oferecidas pelo JWST são consistentes com os modelos e simulações existentes, fornecendo evidências adicionais para apoiar a teoria do que está por trás das explosões.
“ Embora nossas observações sugiram que a emissão de Sgr A* no infravermelho médio resulta de fato da emissão síncrotron de elétrons em resfriamento, ainda há muito a ser entendido sobre a reconexão magnética e o turbulência no disco de acréscimo Sgr A*. Esta primeira detecção no infravermelho médio e a variabilidade observada com SMA não só preencheram uma lacuna na nossa compreensão do que causa as erupções de Sgr A*, mas também abriram um novo e importante caminho de pesquisa “, explica Sebastiano von Fellenberg, pesquisador de pós-doutorado no Max-InstitutPrancha de Radioastronomia (MPIfR) e autor principal do novo artigo.
As observações James-Webb foram então completadas simultaneamente com o submillimeter array (SMA), no cume de Mauna Kea/Havaí), o telescópio NuSTAR e o observatório em raios X Chandra.
O SMA mostrou assim que a observação da erupção em ondas milimétricas foi atrasada em aproximadamente 10 minutos em comparação com a erupção no infravermelho médio. Contudo, aparentemente não havia energia suficiente para produzir radiação de raios X detectável.