Buracos negros dobram nossa compreensão do universo e das leis da física. À medida que o buraco negro gira, ele arrasta o espaço circundante e dá aos astrônomos a oportunidade de estudar algumas das previsões de Einstein sobre a relatividade.
A existência de buracos negros é talvez a previsão mais fascinante da Teoria Geral da Relatividade de Einstein. Quando qualquer massa, como uma estrela, se torna mais compacta do que um certo limite, sua própria gravidade se torna tão forte que o objeto entra em colapso até um ponto singular, um buraco negro. Na mente popular, esse imenso poço de gravidade é um lugar onde coisas estranhas acontecem. E agora, uma equipe liderada pelo Centro de Astrofísica mediu um buraco negro de massa estelar girando tão rapidamente - girando mais de 950 vezes por segundo - que empurra o limite de velocidade previsto para rotação.
"Eu diria que esse regime de gravidade está tão longe da experiência direta e do conhecimento quanto o próprio mundo subatômico", diz o astrônomo da CfA Jeffrey McClintock.
Aplicando uma técnica para medir o giro desenvolvido em conjunto por McClintock e pelo astrofísico da CfA Ramesh Narayan, a equipe usou os dados de satélite Rossi para raios-X Timing Explorer da NASA para fornecer a determinação mais direta ainda da rotação do buraco negro.
McClintock e Narayan lideraram um grupo internacional composto por Rebecca Shafee, Departamento de Física da Universidade de Harvard; Ronald Remillard, Centro Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial, MIT; Shane Davis, Universidade da Califórnia, Santa Barbara, e Li-Xin Li, Instituto Max-Planck de Astrofísica, Alemanha, nesta pesquisa. Os resultados estão publicados na edição de hoje do Astrophysical Journal.
"Agora temos valores precisos para as taxas de rotação de três buracos negros", diz McClintock. "O mais emocionante é o resultado do microquasar GRS1915 + 105, que gira entre 82% e 100% do valor máximo teórico".
"Este resultado tem implicações importantes para explicar como os buracos negros emitem jatos, para modelar possíveis fontes de explosões de raios gama e para a detecção de ondas gravitacionais", diz o teórico Narayan.
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"Na astronomia, um buraco negro é completamente descrito por apenas dois números que especificam sua massa e a velocidade de rotação", diz McClintock. "Não sabemos nada tão simples assim, exceto por uma partícula fundamental como um elétron ou um quark".
Embora os astrônomos tenham sido bem-sucedidos na medição da massa do buraco negro, eles acharam muito mais difícil medir o segundo parâmetro fundamental de um buraco negro, seu giro.
"De fato, até este ano, não havia estimativa confiável de rotação para nenhum buraco negro", diz Narayan.
A gravidade de um buraco negro é tão forte que, à medida que gira, ele arrasta o espaço circundante. A borda desse furo rotativo é chamada de horizonte de eventos. Qualquer material que cruze o horizonte de eventos é puxado para dentro do buraco negro.
"A frequência de rotação do buraco negro que medimos é a taxa na qual o espaço-tempo está girando ou sendo arrastado, exatamente no horizonte de eventos do buraco negro", diz Narayan.
O buraco negro de alta velocidade, GRS 1915, é o mais maciço dos 20 buracos negros binários de raios-X cujas massas são atualmente conhecidas, pesando cerca de 14 vezes mais que o Sol. É conhecido por propriedades únicas, como a ejeção de jatos de matéria quase à velocidade da luz e variações rápidas na emissão de raios-X.
Nas últimas décadas, dezenas de buracos negros foram descobertos em sistemas binários de raios-X. Um binário de raios-X é um sistema no qual dois objetos orbitam um ao outro, com o gás de um - uma estrela normal como o Sol - sendo transferido constantemente para o outro - neste caso, um buraco negro. O gás espirala para o buraco negro por um processo chamado acréscimo. À medida que entra em espiral, aquece até milhões de graus e irradia raios-X. A equipe usou o espectro de raios-X do disco de acreção do buraco negro para determinar sua rotação.
A técnica é baseada em uma predição chave da teoria da relatividade: o gás que se acumula em um buraco negro irradia apenas até um certo raio que fica fora do buraco negro - fora do seu horizonte de eventos. Dentro deste raio, o gás cai no buraco muito rapidamente para produzir muita radiação. O raio crítico depende da rotação do buraco negro, portanto, medir esse raio fornece uma estimativa direta da rotação. Quanto menor o raio, mais quentes são os raios X emitidos pelo disco. A temperatura dos raios X, juntamente com o brilho dos raios X, fornece o raio que, por sua vez, fornece a taxa de rotação do buraco negro.
"É muito legal poder medir algo tão fundamental", diz Rebecca Shafee, estudante de graduação do Departamento de Física da Universidade de Harvard. “Nosso método é muito simples em conceito e fácil de entender. Temos muita sorte de ter observatórios de raios-X poderosos, como o Rossi X-Timing Explorer no espaço e telescópios na Terra para realizar as medições necessárias. ”
A busca pela causa das explosões de raios gama, que pode ser, por um momento, o flash mais brilhante do universo, pode ser ajudada pelos resultados da equipe. O astrofísico teórico Stan Woosley, da Universidade da Califórnia, em Santa Cruz, modelou explosões de raios gama com base no colapso de uma estrela massiva. Esses modelos, no entanto, dependem da existência de buracos negros com rotação muito alta, que até agora nunca haviam sido confirmados.
"Isso é extremamente importante", diz Woosley. "Eu não tinha idéia de que essas medidas pudessem ser feitas."
O artigo conclui que o GRS 1915 e os outros dois buracos negros estudados pela equipe nasceram com seus altos giros. Ou seja, o núcleo em colapso da estrela massiva original derramou seu momento angular no buraco negro.
"Desde que a comunidade descobriu há muitos anos como medir a massa de buracos negros, medir o spin tem sido o santo graal neste campo", diz McClintock. “A técnica que usamos no GRS 1915 pode ser aplicada a vários outros binários de raios X de buracos negros. Mal podemos esperar para ver o que encontramos! '”
"Uma de nossas esperanças é que os sistemas de buracos negros que estamos estudando também sejam estudados por outros grupos, usando seus métodos favoritos para medir a rotação", diz Narayan. "Uma vez que esses outros métodos sejam desenvolvidos e se tornem mais confiáveis, a comparação cruzada dos resultados dos diferentes métodos seria mais interessante".
Fonte original: Comunicado de imprensa da CfA
