Andrea Ghez: A busca por um buraco negro supermassivo

Como se observa algo que não se pode ver? Esta é a questão básica de alguém que está interessado em achar e estudar buracos negros. Porque buracos negros são objetos cuja gravidade é tão intensa que nada pode escapar a ela, nem mesmo a luz, então, não se pode vê-los diretamente.

Bem, minha história hoje sobre buracos negros é sobre um buraco negro em particular. Estou interessada em descobrir se existe ou não um deles que é realmente massivo, o que gostamos de chamar buraco negro "supermassivo", no centro da nossa galáxia. E a razão pela qual isso é interessante é que isso nos dá uma oportunidade de provar se estes objetos exóticos realmente existem ou não. E além disso, nos dá a oportunidade de entender como esses buracos negros supermassivos interagem com seu ambiente, e de compreender como eles afetam a formação e a evolução das galáxias nas quais eles residem.

Então, para começar, precisamos entender o que é um buraco negro para podermos entender a evidência de um. O que é um buraco negro? Bem, de modo geral, um buraco negro é um objeto incrivelmente simples, porque há apenas 3 características que se pode descrever: a massa, a rotação e a carga. E eu vou falar apenas sobre a massa. Nesse sentido, então, é um objeto muito simples. Mas, em outro sentido, é um objeto tão complicado que precisamos de uma física relativamente exótica para descrevê-lo, e, de certo modo, representa uma ruptura da nossa compreensão física do universo.

Mas, hoje, o modo como quero que vocês compreendam um buraco negro, pela evidência de um buraco negro, é pensar nele como um objeto cuja massa está confinada em volume zero. Então, apesar do fato de que eu vou falar sobre um objeto que é supermassivo, e irei chegar ao que isto realmente quer dizer em um momento, ele não tem um tamanho finito. Isso é um pouco complicado.

Mas, felizmente, há um tamanho finito que vocês podem ver, conhecido como o raio de Schwarzschild. O nome é em homenagem ao cara que descobriu porque esse era um raio tão importante. Esse é um raio virtual, não é realidade; o buraco negro não tem tamanho. Então, por que ele é importante? É importante porque ele nos diz que qualquer objeto pode se tornar um buraco negro. Isto é, você, seu vizinho, seu celular, o auditório pode se tornar um buraco negro se você descobrir como comprimí-lo até o tamanho do raio de Schwarzschild.

A partir deste ponto, o que acontecerá? A partir deste ponto, a gravidade vence. A gravidade ganha de qualquer outra força conhecida. E o objeto é forçado a continuar em colapso até um objeto infinitamente pequeno. E isso é um buraco negro. Então, se pudéssemos comprimir a Terra ao tamanho de um cubo de açúcar, ela se tornaria um buraco negro, porque o tamanho de um cubo de açúcar é o seu raio de Schwarzschild.

Agora, o truque aqui é calcular o tal raio de Schwarzschild. E, na verdade, é muito simples de calcular. Ele depende unicamente da massa do objeto. Objetos maiores têm raios Schwarzschild maiores. Objetos menores têm raios de Schwarzschild menores. Então, se pegássemos o sol e o apertássemos até o tamanho da Universidade de Oxford, ele se tornaria um buraco negro.

Agora sabemos o que é o raio de Schwarzschild. E é um conceito bastante útil, porque ele nos diz não apenas quando um buraco negro irá se formar, mas também nos dá os elementos chave para a evidência do buraco negro. Só preciso de duas coisas. Preciso entender a massa do objeto que suponho ser um buraco negro, e qual é o seu raio de Schwarzschild. E como a massa determina o raio de Schwarzschild, na verdade, só preciso saber de uma coisa.

Bem, minha tarefa em convencê-los de que há um buraco negro, é mostrar que há algum objeto que está confinado dentro de seu raio de Schwarzschild. E a tarefa de vocês, hoje, é serem céticos. OK, eu não vou falar sobre um buraco negro comum; eu vou falar sobre buracos negros supermassivos.

Então, gostaria de explicar um pouco o que é um buraco negro convencional, se é que pode haver algo como um buraco negro convencional. Um buraco negro convencional é o estado final da vida de uma estrela realmente massiva. Então, se uma estrela nasce com muito mais massa do que o sol, ela chegará ao fim de sua vida explodindo e deixando para trás estas belas supernovas que vemos aqui. E, dentro daquela supernova que restou, haverá um pequeno buraco negro, o qual, grosso modo, tem três vezes a massa do sol. Em escala astronômica, este é um buraco negro bem pequeno.

Agora, quero falar sobre buracos negros supermassivos. E imagina-se que os buracos negros supermassivos estejam no centro de galáxias. E esta bela foto, tirada com o telescópio Hubble, mostra a vocês que galáxias vêm em diversas formas e tamanhos. Há grandes. Há pequenas. Quase todo objeto naquela foto ali é uma galáxia. E há uma bela espiral acima, à esquerda. E há centenas de bilhões de estrelas naquela galáxia, só para lhes dar uma idéia da escala. E toda a luz que vemos de uma galáxia típica, que é o tipo de galáxias que estamos vendo aqui, vem da luz das estrelas. Então, nós vemos a galáxia por causa da luz das estrelas.

Mas existem algumas galáxias relativamente exóticas. Eu gosto de chamá-las de prima donnas do mundo galático, porque elas são meio exibidas. E nós as chamamos de núcleos ativos de galáxias. E as chamamos assim porque os seus núcleos, ou seus centros, são muito ativos. Então, é ali do centro, na verdade, de onde vem a maior parte da luz estelar. E, ainda assim, o que vemos é na realidade luz que não pode ser explicada pela luz das estrelas. É muito mais energética. Na verdade, em alguns exemplos, é como essas que vemos aqui. Também há jatos vindos do centro. De novo, uma fonte de energia que é muito difícil de explicar, se você apenas pensar que galáxias são feitas de estrelas.

Então, o que as pessoas imaginaram é que talvez haja buracos negros supermassivos nos quais está caindo matéria. Então, você não pode ver o buraco negro propriamente dito, mas você pode transformar a energia gravitacional do buraco negro na luz que vemos. Portanto, imagina-se que talvez existam buracos negros supermassivos no centro de galáxias. Mas é um tipo de argumento indireto.

Contudo, isso deu origem à noção de que talvez não sejam só essas prima donnas que tenham esses buracos negros supermassivos, mas que todas as galáxias abriguem esses buracos negros supermassivos no seus centros. E, se esse for o caso - e este é um exemplo de uma galáxia normal; o que vemos é luz das estrelas. E, se há um buraco negro supermassivo, precisamos supor que é um buraco negro de dieta. Porque esse é o jeito de anular os fenômenos energéticos que vemos em atividade nos núcleos das galáxias.

Se vamos procurar por esses buracos negros discretos no centro de galáxias, o melhor lugar para procurar é em nossa própria galáxia, a nossa Via Láctea. Esta é uma foto ampla do centro da Via Láctea. E o que vemos é uma linha de estrelas. Isso é porque vivemos em uma galáxia que é achatada, em forma de disco. E vivemos no meio dela, então, quando olhamos em direção ao centro, nós vemos esse plano que define a superfície da galáxia, ou linha que define a superfície da galáxia.

Bem, a vantagem de estudar nossa própria galáxia é que ela é simplesmente o exemplo de centro de galáxia mais próximo que jamais iremos ter, porque a outra mais próxima está 100 vezes mais longe. Então, podemos ver muito mais detalhes na nossa galáxia que em qualquer outro lugar. E, como vocês verão em instantes, a capacidade de enxergar detalhes é a chave para esse experimento.

Então, como é que os astrônomos provam que há um monte de massa dentro de um pequeno volume? Esse é o trabalho que tenho para mostrar a vocês hoje. E a ferramenta que usamos é observar o caminho pelo qual estrelas orbitam o buraco negro. Estrelas irão orbitar o buraco negro da mesma maneira que planetas orbitam o sol. É a gravidade que faz essas coisas orbitar. Se não houvesse objetos massivos, essas coisas iriam voar soltas, ou ao menos ir a uma taxa bem mais lenta, porque tudo o que determina como elas andam por aí é o quanto de massa está em sua órbita.

Isso é notável, porque, lembrem-se, meu trabalho é mostrar que há muita massa dentro de um pequeno volume. Então, se eu souber o quão rápido ele anda, eu saberei a massa. E se eu souber a escala da órbita, saberei o raio. Então, eu quero ver as estrelas que estão o mais perto possível do centro da galáxia. Porque eu quero mostrar que há massa dentro de uma região o menor possível. Isso significa que quero ver muitos detalhes. E esse é o motivo pelo qual usamos, para esse experimento, o maior telescópio do mundo.

Este é o observatório Keck. Ele abriga dois telescópios com um espelho de 10 metros, que é aproximadamente o diâmetro de uma quadra de tênis. Isso é maravilhoso porque a promessa de campanha de grandes telescópios é que, quanto maior o telescópio, menor o detalhe que podemos ver. Mas acontece que esses telescópios, ou qualquer telescópio no solo tem tido dificuldade para cumprir essa promessa. E isso por causa da atmosfera. Atmosfera é ótima para nós; ela nos permite sobreviver aqui na Terra. Mas é relativamente desafiadora para astrônomos que querem olhar através da atmosfera na direção dos astros.

Então, para lhes dar uma noção, é como olhar para um seixo no fundo de um córrego. Olhando para um seixo no fundo de um córrego, o córrego está em contínuo movimento e turbulência, e isso torna muito difícil de ver o seixo no fundo do córrego. Da mesma maneira, é muito difícil enxergar os astros, por causa da atmosfera que está sempre em movimento.

Eu passei muito da minha carreira trabalhando em meios de corrigir isso, para nos dar uma visão mais clara. E isso nos dá um ganho de fator 20. E eu acho que todos concordam que se você pode descobrir como melhorar a vida em um fator de 20 você provavelmente melhorou seu estilo de vida bastante, o seu salário, você iria notar, ou seus filhos, você iria notar.

E essa animação aqui mostra um exemplo das técnicas que usamos, chamadas de ótica adaptativa. Vocês estão vendo uma animação que caminha por um exemplo do que você veria se não usasse essa técnica. Em outras palavras, apenas uma figura que mostra as estrelas. A caixa está direcionada no centro da galáxia, que é onde nós achamos que está o buraco negro. Sem essa tecnologia você não consegue ver as estrelas. Com essa tecnologia, de repente, você passa a vê-las. Essa tecnologia funciona colocando-se um espelho dentro do sistema ótico do telescópio, que fica mudando continuamente para compensar o que a atmosfera faz. Ou seja, é como se fosse um óculos muito chique para o seu telescópio.

Nos próximos slides irei focar apenas naquele pequeno quadrado ali. Iremos olhar para as estrelas dentro daquele pequeno quadrado, apesar de termos olhado para todas elas. Quero ver como essas coisas se moveram. E, no decorrer deste experimento, estas estrelas se moveram um bocado. Nós estamos fazendo este experimento há 15 anos, e vemos as estrelas fazerem todo esse caminho em volta.

A maioria dos astrônomos tem uma estrela favorita, e a minha, hoje, é uma estrela que está marcada lá, SO-2. Absolutamente minha estrela favorita no mundo. E isso porque ela faz o caminho todo em apenas 15 anos. Para ter uma idéia de quão pouco isso é, o sol leva 200 milhões de anos para dar uma volta completa no centro da galáxia. As estrelas que conhecíamos antes, que estavam o mais perto possível do centro da galáxia, levam 500 anos. E essa aqui, essa aqui dá uma volta no tempo de vida humano. Isso é meio profundo, de certo modo.

Mas é a chave para este experimento. A órbita me diz quanta massa está contida em um raio muito pequeno. Então, seguindo em frente, nós vemos uma figura que mostra o tamanho no qual, antes deste experimento, conseguíamos confinar a massa do centro da galáxia. O que sabíamos antes é que havia 4 milhões de vezes a massa do sol dentro daquele círculo. E, como podem ver, havia muitas outras coisas dentro daquele círculo. Vocês podem ver muitas estrelas. Então, na verdade, havia muitas alternativas à idéia de que havia um buraco negro supermassivo no centro da galáxia, porque você poderia colocar muita coisa lá.

Mas, com este experimento, nós confinamos aquela mesma massa em um volume muito menor, que é 10 mil vezes menor. E, por causa disso, pudemos demonstrar que há um buraco negro supermassivo ali. Para se ter uma idéia de quão pequeno isso é, é o tamanho do nosso sistema solar. Bem, estamos amontoando 4 milhões de vezes a massa do sol naquele pequeno volume.

Então, não é propaganda enganosa. Certo? Eu contei a vocês que minha tarefa é chegar ao raio de Schwarzschild. E a verdade é que ainda não cheguei bem lá. Mas, hoje, nós não temos outro modo de explicar essa concentração de massa. E, na verdade, é a melhor evidência que temos até hoje, não apenas da existência de um buraco negro supermassivo no centro da nossa própria galáxia, mas de qualquer um no nosso universo. Bem, e aí? Na verdade, eu acho que isso é o melhor podemos fazer com a tecnologia atual, então, vamos tocar em frente com o problema.

Bem, o quero contar, bem brevemente, são alguns exemplos do entusiasmo do que podemos fazer hoje no centro da galáxia, agora que sabemos, ou pelo menos acreditamos, que há um buraco negro supermassivo lá. E a fase divertida deste experimento é, enquanto testávamos algumas de nossas idéias sobre as consequências de um buraco negro supermassivo estar no centro da nossa galáxia, quase todas elas estavam inconsistentes com o que observamos na verdade. E aí está a graça.

Deixe-me dar dois exemplos. Você pode perguntar: "O que você espera das estrelas antigas, estrelas que estavam em volta do centro da galáxia por um longo tempo, elas tiveram tempo de sobra para interagir com o buraco negro." O que você espera é que as estrelas antigas estejam bem aglomeradas em volta do buraco negro. Você devia ver muitas estrelas antigas próximas do buraco negro.

Do mesmo modo, para as estrelas jovens, ou o oposto, as estrelas jovens, elas simplesmente não deviam estar lá. Um buraco negro não é um bom vizinho para um berçário de estrelas. Para uma estrela se formar, é necessário que uma grande bola de gás e poeira desmorone. É uma entidade muito frágil. E o que um buraco negro enorme faz? Ele descasca aquela nuvem de gás. Ele puxa um dos lados com muito mais força que o outro e a nuvem é arrancada. Na verdade, nós prevemos que aquela formação estelar não devia suceder naquele ambiente.

Então, não deveríamos ver estrelas jovens. O que vemos, então? Usando observações que não são aquelas que lhes mostrei hoje, nós podemos efetivamente descobrir quais são antigas e quais são jovens. As antigas estão vermelhas. As jovens estão azuis. E as amarelas, ainda não sabemos. Bem, vocês já podem ver a surpresa. Há uma escassez de estrelas antigas. Há uma abundância de estrelas jovens, é exatamente o oposto do previsto.

Bem, essa é a parte divertida. E na verdade, isso é o que estamos tentando descobrir hoje, esse mistério de como se faz -- como se resolve essa contradição. Na realidade, meus alunos graduados estão, neste exato momento, hoje, ao telescópio, no Havaí, fazendo observações para nos levar esperamos, um passo adiante, onde poderemos abordar a questão do porque existem tantas estrelas jovens, e tão poucas estrelas antigas. Para progredir, precisamos realmente olhar para as órbitas de estrelas que estão bem mais longe. Para isso, provavelmente precisaremos de tecnologia muito mais sofisticada que a que temos hoje.

Porque, na verdade, quando eu disse que estamos corrigindo o que a atmosfera da Terra faz, nós corrigimos, na verdade, apenas metade dos erros causados. Nós fazemos isso atirando um laser na atmosfera, e achamos que se fizermos brilhar um pouco mais poderemos corrigir o resto. E é isso que esperamos fazer nos próximos anos. E num prazo muito mais longo, esperamos construir telescópios ainda maiores, porque, lembrem-se, tamanho é documento na astronomia.

Queremos construir um telescópio de 30 metros. E, com esse telescópio, devemos estar aptos a ver estrelas que estão ainda mais próximas do centro da galáxia. E esperamos ter condições de testar algumas das teorias da relatividade geral, de Einstein, algumas idéias em cosmologia sobre como galáxias se formam. Bem, nós achamos que o futuro deste experimento é bem emocionante.

Concluindo, vou mostrar-lhes uma animação que mostra basicamente como estas órbitas têm se movido, em 3 dimensões. E eu espero que, pelo menos, eu tenha convencido vocês que, primeiro, de fato nós temos um buraco negro supermassivo no centro da galáxia. E isso significa que essas coisas realmente existem em nosso universo, e temos que lidar com isso, temos que explicar como pode haver esses objetos em nosso mundo físico.

Segundo, nós pudemos observar como buracos negros supermassivos interagem, e entender, talvez, o papel deles no desenho das galáxias, e como eles operam.

E, por último, mas não menos importante, nada disso teria acontecido sem o advento do tremendo progresso que tem sido feito na área tecnológica. E acreditamos que esta é uma área que está se movendo muito rapidamente, e promete muito para o futuro. Muito obrigado. (Aplausos)