Perto do centro da Via Láctea, a cerca de 26.000 anos-luz da Terra, uma jovem estrela azul realiza repetidamente o que parece ser uma rotação impossível.
Ele cai em direção a um objeto que não pode ser visto, acelera a cerca de 7.650 quilômetros por segundo e depois se afasta novamente. A essa velocidade, ele poderia cruzar a distância da Terra à Lua em menos de um minuto. Move-se a cerca de 2,55% da velocidade da luz, perto o suficiente de 3% para que os efeitos previstos por Einstein se tornem mensuráveis.
A estrela é chamada de S2 pelos astrônomos europeus e de S0-2 pela equipe do Observatório Keck. O objeto invisível que o controla é Sagitário A*, o buraco negro supermassivo no coração da nossa galáxia.
Durante quase três décadas, dois programas de observação independentes liderados por Reinhard Genzel e Andrea Ghez observaram a S2 e as suas estrelas vizinhas traçarem caminhos em torno daquele ponto escuro. Essas órbitas fizeram algo que uma fotografia inicialmente não conseguia: pesaram o objeto invisível, mediram o quão compactada era a sua massa e eliminaram progressivamente todas as explicações plausíveis, exceto um buraco negro.
O centro da galáxia está escondido da vista comum
Sagitário A* fica na direção da constelação de Sagitário, mas apontar um telescópio de luz visível para lá não revela o centro da Via Láctea. A poeira entre nós e o núcleo galáctico absorve a luz visível, escondendo a região lotada atrás dela.
A radiação infravermelha passa através de grande parte dessa poeira. A partir da década de 1990, a equipe de Genzel utilizou telescópios operados pelo Observatório Europeu do Sul no Chile, enquanto a equipe de Ghez utilizou os telescópios Keck no Havaí. Ambos os grupos também tiveram que superar o desfoque causado pela atmosfera da Terra.
As primeiras observações usaram uma técnica chamada imagem speckle, combinando muitas exposições muito curtas para recuperar detalhes. Mais tarde, a óptica adaptativa permitiu que os telescópios medissem a distorção atmosférica e a corrigissem em tempo real. O instrumento GRAVITY foi mais longe ao combinar a luz emitida por quatro telescópios do Very Large Telescope Interferometer do ESO.
Como o Formação científica do Prêmio Nobel explica, essas melhorias aumentaram a resolução de imagem alcançável em mais de mil vezes. Um borrão confuso de luz infravermelha transformou-se em estrelas individuais em movimento cujas posições podiam ser medidas noite após noite.
Uma órbita pode pesar algo que não emite luz
Os astrônomos não precisavam ver o próprio objeto central para medir sua gravidade. Uma órbita registra a atração que atua sobre o corpo que a segue. Se os investigadores souberem o tamanho da órbita, a sua forma, a velocidade da estrela e o tempo necessário para completar um circuito, poderão calcular a massa responsável.
S2 é extraordinariamente valioso porque sua órbita leva pouco menos de 16 anos. Isso é extremamente curto para os padrões galácticos. Nosso Sol precisa de mais de 200 milhões de anos para completar uma viagem ao redor da Via Láctea, mas os astrônomos poderiam observar S2 terminar uma órbita inteira dentro de uma carreira profissional.
A órbita também é altamente alongada. No seu ponto mais distante, S2 viaja muito mais lentamente. Na sua abordagem mais próxima, chamada pericentro, chega a cerca de 120 vezes a distância da Terra ao Sol. Isso parece grande até que a massa dentro dele seja considerada.
Medições de S2 e de outras estrelas próximas mostram que cerca de 4,3 milhões de vezes a massa do Sol está concentrada dentro da distância do pericentro de S2. UM análise orbital multi-estrela pela Colaboração GRAVITY descobriram que o campo gravitacional central é dominado por esta massa compacta dentro da distância mais próxima de S2, de aproximadamente 120 unidades astronômicas do centro.
Um aglomerado de estrelas de nêutrons fracas, buracos negros estelares ou outros remanescentes poderia, em princípio, ser escuro e pesado. Mas acondicionar um número suficiente deles em um volume tão pequeno tornaria o arranjo instável. O aglomerado colidiria, evaporaria ou entraria em colapso em escalas de tempo muito curtas para explicar o que é observado. Um único buraco negro supermassivo é a explicação que sobrevive.
Por que S2 atinge quase 3% da velocidade da luz
S2 não se desloca com velocidade constante. À medida que cai em direção a Sagitário A*, a energia potencial gravitacional torna-se energia cinética. A sua órbita altamente elíptica torna essa mudança particularmente dramática.
Perto do pericentro, em maio de 2018, a estrela atingiu cerca de 7.650 quilómetros por segundo, mais de 25 milhões de quilómetros por hora. O Análise de 2018 da Colaboração GRAVITY colocou-o a cerca de 120 unidades astronômicas do buraco negro naquele momento.
A percentagem pode parecer modesta porque a ficção científica treinou-nos para tratar a velocidade da luz como a única referência impressionante. Não é modesto. S2 é uma estrela com muitas vezes a massa do Sol, movendo-se rápido o suficiente para cobrir o diâmetro da Terra em menos de dois segundos.
Num artigo anterior, observei a única partícula de raio cósmico detectada em 1991 com a energia de uma bola de críquete lançada rapidamente. Essa partícula viajou muito mais perto da velocidade da luz do que S2. O contraste é o que torna S2 surpreendente: não se trata de um próton, mas de uma estrela inteira sendo acelerada através do campo gravitacional mais forte que podemos rastrear em detalhes em torno de um buraco negro supermassivo.
A órbita se tornou um teste de Einstein
A gravidade newtoniana pode descrever muito bem a maior parte do caminho de S2. Os desvios mais reveladores aparecem em torno da sua maior aproximação, onde a gravidade é mais forte e a estrela é mais rápida.
Em 2018, os astrônomos detectaram o efeito combinado do desvio para o vermelho gravitacional e do efeito Doppler transversal na luz de S2. À medida que a estrela saiu do campo gravitacional do buraco negro, a sua luz perdeu energia e deslocou-se para comprimentos de onda mais longos. Seu rápido movimento lateral acrescentou outra mudança relativística. Juntos, os sinais afastaram-se da previsão puramente newtoniana, tal como a relatividade geral exigia.
A longa linha de base de observação expôs então um segundo efeito. S2 não retorna ao longo de uma elipse perfeitamente fechada. O ponto de maior aproximação avança, girando a órbita em uma roseta lenta. Em 2020, a equipe GRAVITY relatou o primeira detecção desta precessão de Schwarzschild em uma estrela se movendo em torno de um buraco negro supermassivo. A rotação prevista é de cerca de 12 minutos de arco por órbita, aproximadamente um quinto de grau.
Nenhuma das medições significa que S2 está próximo do horizonte de eventos. No pericentro permanece cerca de 1.400 vezes o raio de Schwarzschild do buraco negro. Mas as observações são suficientemente precisas para detectar a relatividade num regime muito mais forte do que o campo gravitacional disponível no Sistema Solar.
O que o Prêmio Nobel realmente reconheceu
O Prêmio Nobel de Física de 2020 foi dividido entre três laureados. Roger Penrose recebeu metade por mostrar que a formação de buracos negros é uma previsão robusta da relatividade geral. Genzel e Ghez receberam cada um um quarto “pela descoberta de um objeto compacto supermassivo no centro da nossa galáxia”.
O texto é importante. S2 foi a estrela isolada mais informativa, mas a descoberta baseou-se em equipas independentes, décadas de medições, numerosas órbitas estelares próximas e gerações de instrumentos e investigadores.
O programa de Genzel iniciou observações sistemáticas com instalações do ESO em 1992. A equipa de Ghez iniciou a sua campanha Keck em 1995. Ao comparar posições no céu com velocidades medidas a partir de mudanças nos espectros estelares, as equipas reconstruíram órbitas tridimensionais. O acordo deles tornou a conclusão muito mais difícil de descartar como um erro instrumental ou uma peculiaridade de um conjunto de dados.
Um Relato do ESO sobre o trabalho vencedor do Nobel descreve um programa que durou quase 30 anos. Essa duração não foi um detalhe incidental. Um pequeno arco pode caber em muitas órbitas possíveis; seguir S2 através do pericentro, apocentro e um circuito completo transformou uma inferência promissora em uma medição.
Vimos a órbita antes de vermos o buraco negro
A frase “não emite luz própria” precisa de uma qualificação. O buraco negro em si não envia luz de volta através do seu horizonte de eventos. Sagitário A* é, no entanto, o nome de uma fonte de rádio brilhante porque o gás quente e os campos magnéticos ao redor do buraco negro emitem radiação antes que o material caia nele.
Durante anos, as órbitas estelares foram a evidência mais clara do objeto no centro. Então, em 2022, o Telescópio Event Horizon conectou observatórios de rádio ao redor da Terra e produziu o primeira imagem em escala de horizonte de Sagitário A*. O anel brilhante nessa imagem é a radiação do plasma circundante, curvado pela gravidade. A região central escura é a sombra do buraco negro.
A imagem não substituiu a órbita do S2. Confirmou a história em uma escala radicalmente diferente. S2 rastreia a gravidade ao longo de dezenas de bilhões de quilômetros, enquanto o Event Horizon Telescope sonda a vizinhança imediata do horizonte de eventos.
Essa conexão também atinge a história das galáxias. No meu artigo sobre Webb encontrando galáxias inesperadamente maduras no universo jovem, uma das questões centrais era a rapidez com que as galáxias reuniam as suas estrelas e objetos centrais massivos. Sagitário A* oferece aos astrônomos o laboratório mais próximo para estudar o lado do buraco negro nessa relação.
A história de S2 é, em última análise, sobre o poder da medição do paciente. Os astrônomos não conseguiram ver o objeto que tentavam provar que estava ali. Eles observaram o movimento de um ponto de luz estelar, esperaram por um circuito de 16 anos e continuaram melhorando a precisão.
A estrela tornou-se o ponteiro numa escala cósmica. O seu percurso revelou uma escuridão equivalente a quatro milhões de sóis, e as minúsculas imperfeições relativísticas nesse percurso mostraram que a escuridão curva o espaço-tempo tal como Einstein disse que deveria.
