Andrea Ghez: A busca de um buraco negro supermaciço

Como observamos algo que não vemos? Esta é a pergunta básica de quem se interessa por encontrar e estudar buracos negros. Os buracos negros são objectos cuja atracção gravitacional é tão intensa que nada lhe escapa, nem mesmo a luz. Por isso não o podemos ver directamente.

A minha intervenção de hoje sobre buracos negros centra-se num buraco negro em particular. Estou interessada em descobrir se existe um buraco negro realmente enorme, a que chamamos supermaciço, no centro da nossa galáxia. A razão porque isto é interessante é porque dá-nos uma oportunidade de provar se estes objectos exóticos existem de facto. Em segundo lugar, dá-nos a oportunidade de perceber como estes buracos negros supermaciços interagem com o seu meio envolvente e entender como é que eles afectam a formação e evolução das galáxias onde residem.

Portanto, para começar, temos de compreender o que é um buraco negro para podermos compreender as provas de um buraco negro. O que é então um buraco negro? Em geral, um buraco negro é um objecto incrivelmente simples, pois só há três características que podem ser descritas: a massa, a rotação e a carga. E eu vou falar apenas da massa. Neste sentido, trata-se de um objecto muito simples. Mas por outro lado, é um objecto incrivelmente complicado que requer física relativamente exótica para o descrever, e, de certa forma, representa a desconstrução do nosso entendimento físico do universo.

Mas hoje, a maneira como quero que entendam um buraco negro para o fim de provar a sua existência, é que o vejam como um objecto cuja massa está confinada a um volume zero. Por isso, apesar de vos ir falar de um objecto que é supermaciço, e já vos explico o que isso significa dentro de momentos, ele não possui uma dimensão finita. Portanto, isto é um pouco complicado.

Mas felizmente existe uma dimensão finita visível conhecida como o raio de Schwarzschild. Baptizada com o nome do homem que reconheceu a importância desse raio. Trata-se de um raio virtual, não real; o buraco negro não tem tamanho. E porque é tão importante? É importante porque diz-nos que qualquer objecto pode tornar-se um buraco negro. Isto significa que vocês, o vosso vizinho, o vosso telemóvel ou o auditório pode tornar-se um buraco negro se descobrirem uma forma de o comprimir até ao tamanho de um raio de Schwarzschild.

Nesse momento, o que é que acontece? Nesse momento, a gravidade vence. A gravidade vence todas as outras forças conhecidas. e o objecto é forçado a continuar a comprimir até tornar-se um objecto infinitamente pequeno. E nessa altura é um buraco negro. Por isso, se eu comprimisse a Terra até ao tamanho de um cubo de açúcar, ela tornar-se-ia um buraco negro, pois o tamanho de um cubo de açúcar é o seu raio de Schwarzschild.

Agora, a chave aqui é descobrir o raio de Schwarzschild. E, na realidade, até é bastante simples calculá-lo. Depende apenas da massa do objecto. Objectos maiores têm raios de Schwarzschild maiores. Objectos mais pequenos têm raios de Schwarzschild menores. Se tomarmos, por exemplo, o Sol e o comprimirmos à escala da Universidade de Oxford, ele tornar-se-ia um buraco negro.

Sabemos agora o que é um raio de Schwarzschild. Trata-se mesmo de um conceito bastante útil pois ele diz-nos quando um buraco negro se irá formar, mas também nos dá os elementos para provar a existência de um buraco negro. Preciso apenas de duas coisas. Preciso de conhecer a massa do objecto que afirmo ser um buraco negro e qual o seu raio de Schwarzschild. Uma vez que a massa determina o raio de Schwarzschild, só há uma coisa que eu preciso mesmo de saber.

Portanto, a minha tarefa de convencer-vos de que existe um buraco negro, resume-se a demonstrar que existe algum objecto confinado ao seu raio de Schwarzschild. E a vossa missão de hoje é estarem cépticos. Vou falar-vos de buracos negros que não têm nada de comum. Vou falar-vos de buracos negros supermaciços.

Quero começar por dizer algumas coisas sobre buracos negros comuns, apesar de não haver tal coisa como um buraco negro comum. Pensa-se que um buraco negro comum seja o estado final da vida de uma estrela verdadeiramente maciça. Por isso, se uma estrela começa com muito mais massa do que a massa do Sol, irá terminar a sua vida com uma explosão deixando estes maravilhosos vestígios de supernova que podemos ver. Dentro do vestígio de supernova haverá um pequeno buraco negro que terá uma massa aproximada de três vezes a massa do Sol. Numa escala astronómica trata-se de um buraco negro muito pequeno.

Agora quero falar dos buracos negros supermaciços. Pensa-se que estes existem no centro das galáxias. E esta maravilhosa fotografia tirada com o telescópio espacial Hubble mostra-vos que existem galáxias de todas as formas e tamanhos. Há grandes, há pequenas. Quase todos os objectos nesta fotografia são galáxias. Existe uma linda espiral no canto superior esquerdo. E existem 100 mil milhões de estrelas nessa galáxia. Só para que tenham uma ideia da escala. Toda a luz que vemos numa galáxia típica, o tipo de galáxias que estamos a ver aqui, provém da luz das estrelas. Vemos, por isso, a galáxia por causa da luz das estrelas.

Mas existem algumas galáxias relativamente exóticas. Gosto de lhes chamar as vedetas das galáxias, pois gostam de exibir-se. Chamamos-lhes núcleos galácticos activos. Damos-lhes esse nome pois os seus núcleos ou centros são muito activos. É mesmo aqui deste centro que a maior parte da luz estelar sai. No entanto, o que vemos é luz que não pode ser explicada pela luz estelar. Tem muito mais energia. Na realidade, em alguns exemplos, é como as que vemos aqui. Existem também feixes que emanam do centro. Mais uma vez trata-se de uma fonte de energia difícil de explicar se pensarmos que as galáxias são compostas por estrelas.

Por isso, algumas pessoas pensaram que talvez existam buracos negros supermaciços que estarão a absorver matéria. Sendo assim não podemos ver o próprio buraco negro, mas podemos converter a energia gravitacional do buraco negro na luz que vemos. Existe, por isso, a ideia de que talvez existam buracos negros supermaciços no centro das galáxias. Mas é uma espécie de argumento indirecto.

Contudo, deu origem à noção de que talvez não sejam apenas estas vedetas que tenham estes buracos negros supermaciços, mas que todas as galáxias poderão esconder estes buracos negros supermaciços nos seus centros. E se for esse o caso, e este é um exemplo de uma galáxia normal, o que nós vemos é a luz estelar. Se existe um buraco negro supermaciço, precisamos de admitir que é um buraco negro que está de dieta. Porque essa é a maneira de suprimir o fenómeno energético que vemos em núcleos galácticos activos.

Se formos à procura destes buracos negros furtivos no centro das galáxias, o melhor local para procurar é na nossa própria galáxia, na Via Láctea. Esta é uma fotografia grande angular tirada no centro da Via Láctea. O que vemos é uma fila de estrelas. E isto é porque vivemos numa galáxia que é uma estrutura espalmada em forma de disco. Como vivemos no centro dela, quando olhamos para o centro vemos este plano que define o plano da galáxia, ou a linha que define o plano da galáxia.

A vantagem de estudarmos a nossa própria galáxia é simplesmente tratar-se do exemplo mais próximo do centro de uma galáxia que alguma vez teremos à disposição pois a outra galáxia mais próxima está 100 vezes mais distante. Podemos, por isso, ver com mais detalhe a nossa galáxia do que qualquer outra. E, como veremos de seguida, a capacidade de ver com mais detalhe é fundamental para esta experiência.

Como é que os astrónomos conseguem provar que existe muita massa dentro de um pequeno volume? Esse é o trabalho que vos venho mostrar hoje. A ferramenta que utilizamos é observar a forma como as estrelas orbitam em torno do buraco negro. As estrelas orbitarão os buracos negros da mesma maneira que os planetas orbitam o sol. É a atracção gravitacional que faz com que estes objectos orbitem. Se não existissem objectos maciços, estes elementos dispersar-se-iam ou, pelo menos, seriam muito mais lentos pois tudo o que determina como eles orbitam é a quantidade de massa dentro da sua órbita.

Isto é óptimo porque, lembrem-se, a minha missão é demonstrar que existe muita massa dentro de um pequeno volume. Ora, se eu conheço a velocidade de rotação também conheço a massa. E se eu conheço a escala da órbita também conheço o raio. Assim sendo, eu quero observar as estrelas que estão o mais próximas possível do centro da galáxia. Pois eu quero demonstrar que existe uma massa dentro da região mais pequena possível. Quer isto dizer que eu quero ver o máximo de detalhe. E é por isso que, para esta experiência, usámos o maior telescópio do mundo.

Este é o observatório Keck. Aloja dois telescópios com um espelho de 10 metros, o que corresponde aproximadamente ao diâmetro de um campo de ténis. Isto é maravilhoso porque a promessa promocional dos telescópios grandes é que quanto maior o telescópio, maior o detalhe com que podemos ver. Mas afinal estes telescópios, ou qualquer telescópio ao nível do solo, têm tido alguma dificuldade em fazer jus à promessa promocional. Tal acontece por causa da atmosfera. A atmosfera é óptima para nós, permite-nos sobreviver aqui na Terra. Mas é um desafio para os astrónomos. que querem ver através da atmosfera para as fontes astronómicas.

Por isso, para terem uma ideia, é como olhar para um seixo no fundo de um ribeiro. Olhando para o seixo no fundo do ribeiro, o ribeiro está permanentemente em movimento e turbulento tornando difícil ver o seixo no leito do ribeiro. Muito da mesma forma, é difícil ver as fontes astrológicas, por causa da atmosfera que está sempre em movimento.

Por isso, passei grande parte da minha carreira a trabalhar para corrigir o efeito da atmosfera e obter uma vista mais nítida. Com isto ganhamos um factor de 20. Penso que todos concordam que, se conseguirmos melhorar a vida num factor de 20, provavelmente teremos melhorado bastante o nosso estilo de vida. Por exemplo, o vosso salário, ou os vossos filhos, dariam pela diferença.

Esta animação mostra-vos um exemplo das técnicas que usamos, a chamada óptica adaptativa. A animação que estão a ver alterna entre um exemplo do que veriam se não usarem esta técnica, por outra palavras, apenas uma fotografia com estrelas. E a caixa está colocada ao centro da galáxia onde pensamos que está o buraco negro. Sem esta tecnologia não conseguimos ver as estrelas. Com esta tecnologia, de repente, conseguimos. Esta tecnologia funciona com a introdução de um espelho no sistema de óptica do telescópio que está sempre a mudar para contrariar o efeito da atmosfera. É como uns óculos muito sofisticados para o telescópio.

Nos próximos diapositivos vou concentrar-me naquele quadradinho ali. Vamos apenas olhar para as estrelas dentro daquele pequeno quadrado, apesar de já as termos visto a todas. Quero ver como estes elementos se têm deslocado. E no decorrer desta experiência, estas estrelas deslocaram-se uma distância tremenda. Temos vindo a fazer esta experiência desde há 15 anos e temos visto as estrelas dar a volta completa.

A maioria dos astrónomos tem uma estrela favorita e a minha hoje é uma estrela marcada ali em cima, a SO-2. Sem dúvida, a minha estrela favorita entre todas. É a minha predilecta porque dá a volta em apenas 15 anos. Para terem uma ideia do quão rápido isso é, o Sol demora 200 milhões de anos a dar a volta ao centro da galáxia. As estrelas que conhecíamos e que estavam o mais próximas possível do centro da galáxia demoram 500 anos. Esta dá a volta no decurso de uma vida humana. De certa forma, isto é um algo profundo.

Mas é a chave da experiência. A órbita diz-me a quantidade de massa no interior de um raio muito pequeno. Em seguida vemos uma fotografia que vos mostra, previamente a esta experiência, a dimensão à qual podíamos confinar a massa no centro da galáxia. O que sabíamos antes é que existia quatro milhões de vezes a massa do Sol no interior daquele círculo. E como podem ver, existem muito mais coisas dentro daquele círculo. É possível ver muitas estrelas. Efectivamente existiam muitas alternativas à ideia de existir um buraco negro supermaciço no centro da galáxia porque era possível colocar muitas coisas ali.

Mas com esta experiência, confinámos a mesma massa a um volume muito menor que é 10 mil vezes mais pequeno. Por este motivo, pudemos demonstrar que existe um buraco negro supermaciço ali. Para terem uma ideia de quão pequeno aquele espaço é, é o tamanho do nosso sistema solar. de maneira que estamos a atafulhar 4 milhões de vezes a massa do Sol nesse pequeno volume.

Agora, a verdade na publicidade. Certo? Disse-vos que a minha tarefa era reduzi-lo ao raio de Schwarzchild. A verdade é que ainda não cheguei aí. Mas efectivamente, hoje em dia não temos nenhuma alternativa que explique esta concentração de massa. Na realidade, trata-se da melhor evidência que temos não só da existência de um buraco negro supermaciço no centro da nossa galáxia, mas de qualquer um no universo. E o que se segue? Penso que esta é a melhor teoria que teremos com a tecnologia actual, por isso, vamos avançar com o problema.

O que vos quero dizer, muito sucintamente, são alguns exemplos do entusiasmo face ao que podemos fazer hoje em dia no centro da galáxia, agora que sabemos, ou pelo menos acreditamos, que existe aí um buraco negro supermaciço. E a fase divertida desta experiência é que enquanto testamos algumas das nossas ideias acerca das consequências de um buraco negro supermaciço no centro da nossa galáxia, praticamente todas elas revelaram inconsistências com as nossas observações. Aí é que começa o divertimento.

Deixem-me dar-vos dois exemplos. Podem perguntar "O que esperar das estrelas antigas, as estrelas que estão junto do centro da galáxia há muito tempo e que tiveram muito tempo para interagir com o buraco negro." É de esperar que as estrelas antigas estejam muito juntas em torno do buraco negro. Deveríamos ver muitas estrelas antigas junto deste buraco negro.

Da mesma forma, esperar-se-ia o oposto das estrelas jovens, não deveriam existir aí nenhumas. Um buraco negro não é um bom vizinho para uma creche estelar. Para formar uma estrela, é necessário que uma grande bola de gás e pó impluda. E essa é uma entidade muito frágil. E o que faz o buraco negro? Ele desagrega essa nuvem de gás. Puxa com muito mais força de um lado do que do outro e a nuvem é desfeita. De facto, previmos que a formação de estrelas não deveria ocorrer nesse ambiente.

Por isso, não deveríamos ver estrelas jovens. E o que é que vemos? Recorrendo a observações diferentes das que vos mostrei hoje, podemos mesmo distinguir as estrelas antigas das jovens. As antigas são vermelhas. As jovens são azuis e as amarelas ainda não sabemos. Podem portanto ver a surpresa. Há uma escassez de estrelas antigas. E uma abundância de estrelas jovens, o exacto oposto das nossas previsões.

Por isso é que esta é a parte divertida. É isto mesmo que hoje em dia estamos a tentar entender, o mistério desta configuração, como resolvemos esta contradição. É por isso que os meus alunos estão neste preciso momento agarrados ao telescópio no Havai, a fazer observações que esperamos, nos levem à fase seguinte, na qual podemos resolver esta questão de porque é que existem tantas estrelas jovens e tão poucas antigas. Para podermos progredir mais, temos de olhar para as órbitas das estrelas que estão muito mais distantes. Para fazermos isso provavelmente precisaremos de tecnologia muito mais sofisticada do que a que temos hoje.

Porque, na verdade, quando digo que estamos a corrigir o efeito da atmosfera da Terra, estamos apenas a corrigir metade dos erros introduzidos. Fazemos isto disparando um raio laser para a atmosfera e o que pensamos poder fazer é disparar mais alguns de forma a corrigir o resto. É isso que esperamos fazer nos próximos anos. Numa escala temporal muito maior, o que esperamos fazer é construir telescópios ainda maiores, lembrem-se, que na astronomia quanto maior melhor.

Queremos assim construir um telescópio de 30 metros. E com esse telescópio devemos poder ver estrelas que estão ainda mais próximas do centro da galáxia. E esperamos poder testar algumas das teorias de Einstein sobre a relatividade geral e algumas ideias de cosmologia sobre como as galáxias se formam. Pensamos, por isso, que o futuro desta experiência é extremamente estimulante.

Por isso e para concluir, vou mostrar-vos uma animação que basicamente mostra como estas órbitas se têm deslocado em três dimensões. E espero que, pelo menos, vos tenha convencido de que temos, de facto, um buraco negro supermaciço no centro da galáxia. Significando isto que tais coisas existem no nosso Universo e que temos de discutir, temos de explicar a presença destes objectos no nosso mundo físico.

Em segundo lugar, pudemos observar esta interacção em como os buracos negros supermaciços interagem e tentar compreender o papel que eles desempenham na modelação do que são as galáxias e como elas funcionam.

E por último, nada disto teria acontecido sem o advento do tremendo progresso conseguido na área da tecnologia. Pensamos que se trata de um campo em franco desenvolvimento e que reserva muitas surpresas para o futuro. Muito obrigada. (Aplausos)