Astrofísica

A dança de uma estrela dá razão a Einstein

Bastante longe da Terra, a 26.000 anos-luz de distância, esconde-se no coração da nossa galáxia um buraco negro supergigante. Ao fim de 26 anos de observações desse buraco e de uma estrela em particular que o orbita, a centenária teoria da relatividade geral passou mais um teste.
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Ilustração artística do trajecto da estrela S2 em redor do buraco negro supermaciço que está na zona central da nossa galáxia. À medida que a estrela se aproxima do ponto mais perto do buraco negro, o seu campo gravitacional influencia a velocidade da S2 e a sua cor, que se desvia ligeiramente para o vermelho ESO/M. Kornmesser

A teoria de Einstein acaba de ser posta à prova em condições extremas e portou-se muito bem. Pode descrever-se essa prova como uma dança entre uma estrela e um buraco negro. Mas este não é um qualquer – é o buraco negro supermaciço que se encontra alojado no coração da nossa galáxia, a Via Láctea. Já se sabia que lá estava e que tem uma quantidade de matéria tão gigantesca, quatro milhões de vezes a massa do Sol, que podemos dizer sem rodeios que este objecto superdenso e com uma atracção gravítica brutal é um monstro. Agora uma equipa internacional, de que faz parte um grupo de cientistas portugueses, anunciou os resultados da dança de uma estrela à volta desse buraco negro: ela tem uma órbita que apenas é explicada pela teoria da relatividade geral de Einstein, de 1915. É a primeira vez que há medições directas dos efeitos previstos na teoria de Einstein para condições tão extremas como as existentes na vizinhança de um buraco negro supergigante.

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“As nossas medições seguem de forma precisa as previsões de Einstein. Isto significa muito: é o primeiro teste bem-sucedido da teoria da relatividade perto de um buraco negro supermaciço”, sublinhou na apresentação destes resultados Frank Eisenhauer, do Instituto Max-Planck para a Física Extraterrestre (Alemanha), um dos investigadores principais do trabalho. E no slide que estávamos a ver da sua apresentação em directo pela Internet, numa conferência de imprensa esta quinta-feira na sede do Observatório Europeu do Sul (ESO), na Alemanha, aparecia “Einstein 1, Newton 0” para ilustrar a importância dos resultados que foram agora publicados na revista Astronomy & Astrophysics.

Este teste em que a teoria de Einstein passou com distinção foi possível sobretudo graças a um novo instrumento montado nos telescópios VLT, que o ESO tem no cimo do Monte Paranal, no Chile. Esse instrumento, chamado Gravity, é uma câmara de infravermelhos que combina a luz recebida pelos quatro telescópios que compõem o VLT. Nos últimos dois anos, pouco depois de ter entrado em funcionamento, começou a colectar a luz vinda da região central da Via Láctea, difícil de observar devido às poeiras e gases entre nós e essa zona. O Gravity contorna essas dificuldades permitindo captar a luz da estrela. O alvo era o buraco negro superdenso que aí está e de que há provas, já há vários anos, da sua existência. Muitas galáxias têm no centro um buraco negro desses, e a nossa não é uma excepção.

“Pensa-se hoje que estes buracos negros gigantescos são fundamentais para a própria constituição da galáxia. Dá a ideia que tudo roda em torno deles”, explica António Amorim, físico da Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa (FCUL) e o coordenador do grupo português na colaboração internacional que esteve a desenvolver o Gravity ao longo de dez anos. Além da FCUL, a equipa portuguesa tem investigadores do grupo de Paulo Garcia, da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto e que, tal como António Amorim, integra o Centro de Astrofísica e Gravitação (Centra).

Os buracos negros supermaciços no coração de muitas galáxias são diferentes dos outros. Esses outros resultam da morte de uma estrela gigante (geralmente com dez vezes a massa do nosso Sol) cuja matéria cede à gravidade e colapsa sobre si própria, formando estes objectos densos de onde nem a luz consegue escapar depois de lá ter caído. Já os buracos negros supermaciços são, como vimos, extraordinariamente mais densos do que os buracos negros estelares, podendo ter milhões de vezes a massa do Sol. Poderão ter sido formados quando o Universo era bastante mais jovem, a partir do colapso de gigantescas nuvens de gases ou de aglomerados de milhões de estrelas. Dada a sua massa, a atracção gravítica que têm é incomparavelmente maior do que a dos buracos negros estelares. Se estes já são devoradores de matéria, imagine-se o monstro que temos mesmo no meio da Via Láctea.

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As órbitas de estrelas perto do buraco negro supermaciço da Via Láctea, o Sagitário A, em que a estrela S2 é uma delas ESO/L. Calçada

A S2 e o Sagitário A

Para seguir melhor a narrativa desta dança revelamos agora os nomes dos protagonistas. A estrela chama-se S2 e o nosso buraco negro supermaciço é conhecido por Sagitário A. Estão muito longe de nós, a 26.000 anos-luz de distância, o tempo que a luz emitida pela estrela na vizinhança do buraco negro demora a chegar até nós.

Nos anos 70, Sagitário A começou por ser identificado como uma fonte de raios X compacta no centro da Via Láctea, entre as constelações de Sagitário e do Escorpião. Ainda que nada sai de um buraco negro depois de lá ter caído, quando a matéria está a cair para lá ocorre a emissão de raios X, por exemplo, e foi assim que a presença de Sagitário A acabou denunciada. Pôs-se a hipótese de ser um buraco negro supermaciço, mas a questão era mesmo se este tipo de objectos existia.

A orbitar perto de Sagitário A há mais umas quantas estrelas, mas a S2 é “a mais espectacular, porque está muito pertinho” do buraco negro, explica António Amorim.

Por estar tão perto do que se suspeitava ser, no início dos anos 90, o buraco negro supermaciço na região central da Via Láctea, a S2 começou a ser seguida por telescópios do ESO no Chile, bem como no Havai. Poderia nem ser esse buraco negro supermaciço, mas antes um aglomerado de buracos negros estelares ou de estrelas de neutrões (também resultantes da morte de estrelas maciças).

Em 2002, essa equipa, que já incluía o Instituto Max-Planck para a Física Extraterrestre, apresentou provas na revista Nature de que Sagitário A era o buraco negro monstruoso no centro da Via Láctea. Completando uma órbita a Sagitário A em 16 anos, a S2 tem uma órbita bastante elíptica, ora se aproximando muito dele, ora se afastando bastante. Naquela altura da apresentação daqueles resultados tinha-se aproximado muito. “Será que em 2018, quando esta estrela estiver outra vez perto do buraco negro supermaciço, teremos equipamentos para testar a teoria da relatividade? Será que a teoria está correcta?”, perguntaram-se em 2002 os cientistas, como contou agora Reinhard Genzel, o director do Instituto Max-Planck para a Física Extraterrestre e o coordenador da equipa internacional, que envolve instituições alemãs, francesas e portuguesas.

Desta vez, tinham equipamentos como o Gravity. A 19 de Maio deste ano, a S2 voltou a atingir o seu ponto mais perto de Sagitário A – passou a 20.000 milhões de quilómetros e a sua velocidade aumentou nessa altura, atingindo uns incríveis 25 milhões de quilómetros por hora. O que é quase 3% da velocidade da luz. Quando está mais perto do buraco negro, a tremenda força gravítica do buraco negro imprime-lhe mais velocidade; e quando se afasta é como se ela fosse puxada para trás e a tentassem travar.

Ora esta foi uma das observações cruciais que confirmaram as previsões da teoria da relatividade geral perante um campo gravitacional tão forte como é o caso deste. A teoria de Einstein é a única teoria que explica o que se observa. Nessas condições extremas a física de Newton já não funciona. Foi por isso que Frank Eisenhauer usou uma linguagem desportiva, pondo Einstein a ganhar (neste caso) a Newton.

Também à medida que a estrela se aproximava do buraco negro, o seu enorme campo gravitacional de Sagitário A levou a que a cor da estrela sofresse um ligeiro desvio para o vermelho, um efeito também previsto na teoria da relatividade geral, explica-se no comunicado do ESO, organização intergovernamental a que Portugal pertence.

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O físico António Amorim DR

“As órbitas da estrela têm uma forma que só se consegue explicar pela teoria da relatividade geral. Não são compatíveis com a física de Newton”, resume António Amorim. “Aqui no nosso sistema solar apenas podemos testar as leis da física no presente e sob certas circunstâncias. Por isso, em astronomia é muito importante também verificar se essas leis também são válidas onde os campos gravitacionais são muito mais fortes”, refere por sua vez Françoise Delplancke, responsável do Departamento dos Sistemas de Engenharia do ESO.

Mais de 100 anos depois da publicação das equações da teoria da relatividade geral e de 26 de observações nos telescópios que o ESO tem no Chile, a dança da S2 em redor do Sagitário A veio dizer-nos que Einstein voltou a ter razão.