Resolvido mistério da luz se curvando perto dos buracos negros

Redação do Site Inovação Tecnológica - 13/07/2021

A luz dá mais e mais voltas conforme se aproxima do horizonte de eventos do buraco negro.
[Imagem: Michael D. Johnson (CfA)/George Wong (UIUC)]

Luz em volta dos buracos negros

Uma galáxia brilha em todas as direções.

Mas, se entre ela e nós existir um buraco negro, parte da luz da galáxia chegará perto do buraco negro e será levemente desviada, criando o que chamamos de lente gravitacional; outra parte da luz chegará ainda mais perto e contornará o buraco uma única vez antes de escapar e vir em nossa direção, e assim por diante.

A parte da luz que vai se aproximando mais e mais do buraco negro atinge regiões onde o espaço é tão deformado que esses raios de luz irão se curvar tanto que vão girar em torno dele mais e mais vezes, eventualmente formando o que os astrofísicos chamam de "esfera de fótons", uma parte da luz que essencialmente permanecerá orbitando o buraco negro.

Esse fenômeno pode nos permitir ver várias versões de uma mesma galáxia que esteja lá do outro lado: Quanto mais perto da borda do buraco estivermos apontando nossos telescópios, mais e mais versões da mesma galáxia nós veremos.

Embora isso já seja conhecido há décadas, agora um físico finalmente conseguiu derivar uma expressão matemática exata para calcular onde devemos procurar por essas imagens fantasmas ou para decidir se algo que os telescópios nos mostram é um objeto novo ou simplesmente uma réplica de outro já observado.

A luz da galáxia de fundo circunda o buraco negro um número crescente de vezes quanto mais perto ela passa do buraco. Com isto, vemos a mesma galáxia em várias direções.
[Imagem: Peter Laursen]

Fator 500

A pergunta mais direta nessa área é: O quanto mais perto do buraco negro você precisa olhar para ver a próxima imagem da mesma galáxia?

O resultado, também conhecido há mais de 40 anos, é cerca de 500 vezes - mais precisamente, é igual à função exponencial de dois pi, ou e^2π.

O problema é que calcular essa proximidade é tão complicado que ainda não era possível estudar por que esse fator é exatamente esse, e não outro qualquer.

Agora, usando alguns truques matemáticos inteligentes, Albert Sneppen, da Universidade de Copenhague, na Dinamarca, finalmente conseguiu provar o porquê desse número, criando uma expressão matemática que permite dirigir as buscas astronômicas.

"Há algo fantasticamente belo em entender agora por que as imagens se repetem de maneira tão elegante. Além disso, nosso cálculo oferece novas oportunidades para testar nossa compreensão da gravidade e dos buracos negros," disse Sneppen.

De fato, o "fator 500" decorre diretamente de como os buracos negros e a gravidade funcionam, então as repetições das imagens agora se tornam uma forma de examinar e testar a gravidade nesses ambientes extremos.

Além disso, quanto mais vezes a luz tem que contornar o buraco negro, mais o tempo de viagem dela até nós aumenta, de forma que as imagens vão ficando cada vez mais "atrasadas". Este pode ser um recurso valioso para a astronomia: Imagine, por exemplo, que uma estrela exploda como uma supernova em uma galáxia de fundo; agora seria possível ver essa explosão repetidamente.

A situação vista de frente, ou seja, como realmente a observaríamos da Terra. As imagens extras da galáxia tornam-se cada vez mais comprimidas e distorcidas quanto mais de perto olhamos para o buraco negro.
[Imagem: Peter Laursen]

Buracos negros giratórios

O método de Sneppen pode ser generalizado para se aplicar não apenas aos "buracos negros matemáticos" - descrições matemáticas muito simplificadas desses corpos celestes misteriosos - mas também aos modelos de buracos negros que já incorporam a rotação - e, acredita-se, todos os buracos negros reais giram sobre os próprios eixos.

"Acontece que, quando ele gira muito rápido, você não precisa mais se aproximar do buraco negro por um fator de 500, mas significativamente menos. Na verdade, cada imagem [adicional da hipotética galáxia lá do outro lado] está agora a apenas 50, ou 5, ou mesmo chegando a apenas 2 vezes mais perto da borda do buraco negro," explicou Sneppen.

Ter que olhar 500 vezes mais perto do buraco negro para cada nova imagem significa que as imagens são rapidamente "comprimidas" em uma imagem anular - na prática, muitas imagens serão difíceis de serem observadas, o que é um dos fatores que explicam aqueles conjuntos de linhas que formam a imagem cinematógrafica do buraco negro no filme Interestelar e que, se espera, aparecerão nas próximas imagens de buracos negros em alta resolução.

Mas, conforme os buracos negros giram, há mais espaço para as imagens extras, então podemos esperar confirmar a teoria observacionalmente em um futuro não muito distante. Desta forma, será possível estudar não apenas os buracos negros, mas também as galáxias por trás deles, o comportamento da gravidade e o funcionamento das lentes gravitacionais.

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