Titular analisa Nobel dado a buracos negros

A convite do Núcleo de Comunicação Social, Martín Makler, pesquisador titular do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), no Rio de Janeiro (RJ), faz análise do prêmio Nobel de Física deste ano, dado a um teórico britânico e a dois experimentais – um alemão e uma norte-americana – por suas contribuições para o entendimento e a detecção de buracos negros, corpos cósmico devoradores de luz e matéria.

Prêmio iluminado para um objeto sem luzes

“O prêmio [Nobel de Física] deste ano é sobre os segredos mais obscuros do Universo”. Assim, anunciou o secretário-geral da Academia Real de Ciências da Suécia, instituição responsável pela premiação.

Este ano, o prêmio mais importante da ciência foi dado a estudos sobre os buracos negros. Esses objetos misteriosos – que já são parte do imaginário popular – são frequentes nas pesquisas em astrofísica.

Esses corpos cósmicos merecem a popularidade e o protagonismo científico. Afinal, são verdadeiramente estranhos – ou fascinantes. A propriedade mais notável (e daí deriva seu nome): nada pode sair deles, nem mesmo a luz. Para ser mais preciso, existe uma ‘superfície’ – denominada horizonte de eventos – rodeando esses objetos da qual, se atravessada, não há como retornar. Não há nada de material nela. É só uma fronteira definida pela gravidade do buraco negro.

Buracos negros são condensações extremas de massa, formadas pelo colapso de um objeto (uma estrela, por exemplo). Aí, entra nosso primeiro ganhador do Nobel, o físico e matemático britânico Roger Penrose.

Em 1916, foi obtida pelo astrofísico austríaco Karl Schwarzschild (1873-1916) uma solução matemática estranha das equações da teoria da relatividade geral – ou seja, a teoria da gravidade publicada naquele mesmo ano pelo físico de origem alemã Albert Einstein (1879-1955). Décadas depois, percebeu-se que essa solução é o que hoje chamamos buraco nego. Mas esses objetos são tão esquisitos e extremos – a densidade seria infinita em sua região central – que muitos acreditavam serem só uma curiosidade matemática e que nunca seriam formados na natureza.

Cerca de meio século mais tarde, Penrose obteve um resultado surpreendente: sob certas condições (bem realistas), um buraco negro poderia, sim, ser formado. Mais: a formação desses objetos era inevitável. Por exemplo, estrelas de grande massa, no final de suas vidas, explodem, formando uma supernova. Mas o caroço dessas estrelas, por causa da imensa gravidade, implode. Se esse caroço em implosão for um pouco maior que duas vezes a massa do Sol, ele deveria virar um buraco negro.

Teoria e... paciência

Geralmente, objetos que ficam coesos por própria gravidade (como o Sol e a Terra, por exemplo) funcionam assim: a força atrativa da gravidade faz com que eles tendam a se contrair, mas a pressão interna (gerada pela colisão entre átomos) exerce força oposta. Essas duas forças estabelecem uma batalha: se a pressão diminui, o objeto se contrai, aumentando sua densidade, o que, por sua vez, aumenta a pressão, contrabalançando novamente a gravidade, e o objeto volta ao equilíbrio.

Mas, na relatividade geral, a pressão também produz gravidade. Portanto, um objeto que colapsa sob a ação da força da gravidade vai ter sua pressão aumentada, e esta vai contribuir também para aumentar sua a gravidade, forçando ainda mais o colapso.

O que Penrose mostrou – usando métodos matemáticos complexos, elegantes e gerais – é que há situações em que esse processo leva inevitavelmente à formação de um buraco negro. Compreender esse mecanismo ajudou a comunidade científica a aceitar que buracos negros formados pela morte de estrelas massivas seriam comuns no universo.

Mas por que Penrose não ganhou o prêmio Nobel naquela época? Porque, apesar de ter sido uma bela demonstração teórica de que esses objetos deveriam existir, faltava, de fato, mostrar que eles existem na natureza.

Da década de 1960 para cá, acumularam-se evidências da existência desses objetos. A mais contundente delas foi a detecção das ondas gravitacionais, em 2015, provenientes da fusão de dois buracos negros. Essa descoberta levou o prêmio Nobel de 2017, ao confirmar mais essa previsão da teoria de Einstein, ou seja, a existência dessas ondas do espaço-tempo (união indissociável das três dimensões espaciais com o tempo).

Para arrematar, no ano passado, foi divulgado o resultado do Event Horizon Telescope, mostrando um anel de luz em volta de um buraco negro supermassivo em uma galáxia próxima. Esse tipo de anel é gerado pela curvatura do espaço-tempo próximo ao buraco negro – e é outra assinatura inequívoca da existência desses corpos.

Depois disso, ficava difícil não conceber a Penrose o prêmio “Pela descoberta de que a formação de buracos negros é uma previsão robusta da teoria da relatividade geral” – nas palavras do comitê do Nobel. Sua descoberta teórica aguardou mais de meio século para ser comprovada e reconhecida.

Um prêmio também à paciência.

Supermassivos

Mas e a segunda metade do prêmio? Voltemos ao ‘supermassivo’ mencionado antes. Outra propriedade interessante dos buracos negros: não há limite superior para sua massa, ou seja, poderia haver buracos negros de massas arbitrariamente grandes.

E não é que, no centro das galáxias, se encontram evidências da presença desses buracos com massas milhões ou até bilhões de vezes maiores que a do Sol? Esses são os tais supermassivos.

A forma mais direta de provar a existência desse tipo de objeto seria olhar o movimento de estrelas em torno de algo ‘invisível’, mas muito massivo – em outras palavras, observar a ação gravitacional desses ‘gigantes’ cósmicos.

É aí que entram os trabalhos da norte-americana Andrea Ghez e do alemão Reinhard Genzel – e de colaboradores de ambos – nas décadas de 1990 e 2000. De forma independente e ao longo de anos, a dupla e respectivos colegas estudaram o movimento de estrelas próximas ao centro de nossa galáxia, a Via Láctea.

Ao analisar as órbitas dessas estrelas, eles constataram que única explicação para o movimento delas era supor a existência de um corpo invisível e muito compacto, com massa em torno de quatro milhões de massas solares. Em outras palavras, aquelas estrelas orbitavam um buraco negro supermassivo.

Foi uma das provas mais contundentes da existência desse tipo de buraco negro – a outra foi o tal anel de luz do ano passado. Daí o prêmio para Ghez e Genzel “pela descoberta de um objeto compacto supermassivo no centro de nossa galáxia”.

Em tempo: Andrea é a quarta mulher na história a ganhar um Nobel de Física. A quarta em mais de... 200 agraciados. Por sinal, ela também é mãe. Que seja, então, sinal de novos tempos.

Martín Makler

Pesquisador titular

CBPF

Mais informações:

Nobel: www.nobel.se

EHT: https://eventhorizontelescope.org/