Astrônomos estão observando matéria mergulhando em um buraco negro pela primeira vez, o que confirma uma das previsões de Einstein

Pela primeira vez, astrônomos observaram a "região de submersão" de um buraco negro - a zona onde a matéria para de girar e colapsa diretamente em direção ao seu centro, como uma cachoeira. Predita pela teoria da relatividade geral de Einstein, essa zona é o limite interno do disco de acreção, logo antes do horizonte de eventos. Ao contrário das hipóteses anteriores, essa região continua emitindo radiação, o que é um dos motivos de sua detecção.

Quando um objeto ou matéria se aproxima de um buraco negro, ele é atraído pela força gravitacional do buraco negro e eventualmente se desintegra em sua borda, alimentando o disco de acreção de alta energia até chegar ao horizonte de eventos (o ponto de não retorno onde nada, nem mesmo a luz, pode escapar da atração gravitacional do buraco negro). De acordo com a teoria da gravidade de Newton, a matéria deve continuar a orbitar um buraco negro até atingir o horizonte de eventos.

No entanto, Einstein previu que a uma distância suficientemente próxima do horizonte de eventos – em uma zona chamada de "região de submersão" – torna-se impossível para as partículas se moverem em órbitas circulares. Em seguida, eles começam a cair rapidamente em direção ao centro do buraco negro a uma velocidade próxima à velocidade da luz. Por analogia, o disco de acreção pode ser comparado a um rio que leva a uma cachoeira – uma área de imersão. "Se Einstein estivesse errado, tudo teria sido estável até o fim – teria havido apenas um rio", explica Andrew Mummery, da Universidade de Oxford, em entrevista à New Scientist.

Por outro lado, há muito se discute se a região submersa emite radiação devido à sua proximidade com o horizonte de eventos. No primeiro caso, essa região seria distinguível por nossos telescópios e, no segundo caso, não seria detectada.

"Costumávamos pensar que qualquer coisa que cruzasse essa fronteira não tem tempo para irradiar significativamente antes de mergulhar em um buraco negro", diz Greg Salvesen, do Laboratório Nacional de Los Alamos, no Novo México. Como resultado, a maioria dos modelos não leva em conta as emissões potenciais de radiação da órbita circular mais interna estável do disco de acreção (ou seja, o limite extremo onde a órbita circular das partículas ainda não foi quebrada).

O estudo de Mummery e seus colegas põe fim à controvérsia, abrindo a primeira evidência observacional de uma região submersa de um buraco negro. "A teoria de Einstein sugere a existência deste último mergulho, mas esta é a primeira vez que conseguimos demonstrar que este é realmente o caso", diz o especialista em um comunicado à imprensa da Universidade de Oxford. "Até agora, temos olhado para o rio, e este é o nosso primeiro olhar para a cachoeira", acrescenta.

Radiação adicional inesperada

Como parte de seu estudo, detalhado no Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, os cientistas se concentraram em um pequeno buraco negro em um sistema binário chamado MAXI J1820+070, localizado a 10.000 anos-luz da Terra. Para fazer isso, eles usaram dados dos telescópios espaciais de raios-X Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) e Neutron Star Interior Composition ExploreR (NICER) da NASA para analisar seu espectro de luz. Esses dados foram então usados para modelar como a matéria se move em direção à sua zona de afundamento.

Dados observacionais mostraram que o buraco negro emite um pouco mais de radiação do que seria esperado de seu disco de acreção. Essa luminosidade foi consistente com as simulações, que levaram em conta a radiação adicional da região de submersão. De acordo com especialistas, este é o primeiro olhar sobre como o plasma no disco de acreção de um buraco negro para de girar e cai em cascata em direção ao seu centro.

Imagem do coeficiente de deslocamento de energia de fótons para um sistema de discos com buracos negros. Esta imagem também destaca a lente gravitacional pronunciada da região próxima à órbita circular mais interna estável.

Esses resultados fornecem informações valiosas sobre um dos aspectos mais misteriosos dos buracos negros e podem levar a novas pistas sobre a natureza da gravidade e do espaço-tempo. Além disso, a radiação extra proveniente da região submersa poderia potencialmente explicar as anomalias de velocidade de rotação encontradas em alguns buracos negros. Embora sua rotação esteja diretamente correlacionada com sua luminosidade, a velocidade de rotação desses buracos negros excede o limite teórico.

Além disso, "o que é realmente interessante é que há muitos buracos negros na galáxia, e agora temos um novo método robusto para usá-los para estudar os campos gravitacionais mais fortes conhecidos até hoje", sugere Mummery. Ainda este ano, a equipe de Oxford planeja explorar esse caminho estudando buracos negros maiores e mais distantes como parte do projeto African Millimeter Telescope. O último é o uso de um novo telescópio de alto desempenho, que deve nos permitir filmar o entorno imediato de buracos negros.