Uma violenta disrupção estelar observada em 2024 deu aos astrónomos a evidência mais completa até hoje de um buraco negro a torcer a própria malha do espaço-tempo à sua volta.
O fenómeno chama-se arrastamento de referenciais, também conhecido como efeito de Lense-Thirring. A sua deteção no núcleo da galáxia LEDA 145386, a cerca de 400 milhões de anos-luz da Terra, ofereceu aos investigadores uma rara oportunidade de ver a relatividade geral a manifestar-se de forma praticamente “ao vivo”.
“Isto é um verdadeiro presente para os físicos, porque confirma previsões feitas há mais de um século”, afirma o astrofísico Cosimo Inserra, da Universidade de Cardiff, no Reino Unido. “E, além disso, estas observações ajudam-nos a compreender melhor a natureza dos TDE - quando uma estrela é desfeita pelas forças gravitacionais imensas exercidas por um buraco negro.”
O que é o arrastamento de referenciais e porque importa na relatividade geral
O arrastamento de referenciais é uma consequência prevista pela relatividade geral e pode visualizar-se com uma analogia simples: se colocar uma colher num frasco de mel e a rodar, o mel tende a acompanhar essa rotação - com o efeito mais forte junto da colher e cada vez mais fraco à medida que nos afastamos.
Em termos físicos, qualquer massa deforma gravitacionalmente o espaço-tempo. Se essa massa estiver a rodar, a deformação inclui também uma “torção” associada ao movimento de rotação. Já houve medições deste efeito noutros contextos, incluindo a sua influência em satélites em órbita da Terra.
Perto do nosso planeta, contudo, o sinal é ténue. Já em torno de objetos com massas de milhões de sóis - como os buracos negros supermassivos - o arrastamento de referenciais torna-se muito mais evidente, transformando estes sistemas em laboratórios naturais para estudar o fenómeno.
O buraco negro de LEDA 145386: massa, distância e o desafio de observar detalhes
A desvantagem é que os buracos negros supermassivos costumam estar demasiado longe para que se acompanhem, com grande detalhe, as suas atividades mais subtis. Por isso, muitas vezes é preciso esperar por um acontecimento extremo - como a destruição de uma estrela - para medir comportamentos difíceis de detetar.
Foi precisamente o que aconteceu com o buraco negro no centro de LEDA 145386, cuja massa é de aproximadamente 5 milhões de vezes a massa do Sol.
Janeiro de 2024: o clarão detetado e o início da campanha multi-comprimento de onda
Em janeiro de 2024, o Zwicky Transient Facility registou um aumento abrupto de brilho. Os cientistas concluíram que o padrão era compatível com um evento de disrupção por marés (TDE) - o “grito” luminoso produzido quando uma estrela que passa demasiado perto é despedaçada pela gravidade do buraco negro. Estes eventos são conhecidos, mas raros e particularmente valiosos, pelo que a comunidade astronómica continuou a monitorizar o sistema.
“Quando uma estrela passa muito perto do buraco negro supermassivo, a gravidade intensa estica-a e, por fim, rasga-a, e o material estelar começa a cair em direção ao buraco negro”, explica o astrónomo Santiago del Palacio, da Universidade de Chalmers, na Suécia.
“Um evento destes torna-se extremamente brilhante; quando um novo foi descoberto por um telescópio ótico, isso levou-nos a observar o buraco negro em diferentes comprimentos de onda o mais depressa possível.”
Esta estratégia - combinar observações no ótico, nos raios X e na rádio - é crucial em TDE: diferentes regiões do sistema (disco, jacto e material circundante) deixam assinaturas em bandas distintas, permitindo reconstituir a geometria e a dinâmica do fenómeno.
O padrão inesperado: variações sincronizadas em raios X e rádio
Com o tempo, surgiu um comportamento invulgar. A cada 19,6 dias, os raios X emitidos pelo buraco negro variavam em brilho por mais de uma ordem de grandeza. Em paralelo, a emissão de rádio também oscilava - e, nesse caso, a amplitude ultrapassava quatro ordens de grandeza. De forma particularmente reveladora, as flutuações em raios X e em rádio estavam sincronizadas.
Um buraco negro a “devorar” uma estrela recebe o nome de evento de disrupção por marés (TDE) porque é a força de maré - a componente diferencial da atração gravitacional - que desfaz a estrela. Importa notar que a estrela não desaparece de imediato para lá do horizonte de eventos; em vez disso, os seus restos espalham-se e organizam-se num disco de acreção que orbita o buraco negro e vai, gradualmente, espiralando para o interior.
Nem todo o material estelar acaba por cair. Os astrónomos consideram provável que parte seja acelerada ao longo das linhas de campo magnético em direção aos polos do buraco negro, sendo depois expulsa com enorme violência, formando jactos de matéria a velocidades próximas da da luz.
Neste cenário, o disco de acreção é uma fonte importante de radiação de raios X; já a luz de rádio pode ser gerada por aceleração sincrotrão no jacto. Assim, variações sincronizadas nas duas bandas sugerem que a estrutura completa (disco + jacto) está a oscilar como um pião - um sinal consistente com o arrastamento de referenciais.
“Uma variabilidade sincronizada, de grande amplitude, quase periódica e entre bandas distintas sugere fortemente um acoplamento rígido entre o disco de acreção e o jacto, que precessa como um giroscópio em torno do eixo de rotação do buraco negro”, afirma Yanan Wang, co-primeiro autor, da Academia Chinesa das Ciências.
Disco e jacto em precessão: o buraco negro como laboratório para testar a relatividade geral
Modelos em que disco e jacto oscilam em conjunto reproduziram resultados semelhantes aos observados, reforçando a ideia de que sistemas como o buraco negro turbulento de LEDA 145386 não são apenas úteis para estudar processos de acreção e a formação de jactos - também permitem testar, de forma indireta mas poderosa, previsões da relatividade geral em regimes extremos.
“Ao mostrar que um buraco negro consegue arrastar o espaço-tempo e produzir este efeito de arrastamento de referenciais, estamos também a começar a compreender a mecânica do processo”, diz Inserra.
A equipa interpreta ainda o fenómeno numa linguagem próxima da analogia eletromagnética:
“Tal como um objeto carregado cria um campo magnético quando roda, estamos a ver como um objeto massivo em rotação - neste caso, um buraco negro - gera um campo gravitomagnético que influencia o movimento de estrelas e de outros objetos cósmicos nas proximidades.”
Para o futuro, mais deteções de TDE com monitorização rápida e multi-comprimento de onda deverão permitir comparar períodos, amplitudes e sincronias entre diferentes sistemas, ajudando a separar o papel da geometria do disco, da intensidade do campo magnético e da orientação do eixo de rotação do buraco negro na assinatura observada.
A investigação foi publicada na revista Avanços da Ciência.
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