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Aqui, discutiremos o fascinante e misterioso campo dos buracos negros com o Dr. Gaurav Khanna, que é professor do Departamento de Física da Universidade de Rhode Island, sobre a importância de estudar buracos negros, os benefícios e desafios, aspectos emocionantes de estudar buracos negros e como os futuros alunos continuarão a estudar buracos negros.

Então, qual é a importância de estudar buracos negros?

“A gravidade é a força mais antiga conhecida, mas a menos compreendida na natureza”, disse o Dr. Khanna ao Universe Today. "Para os estudantes da gravidade, os buracos negros estão entre os objetos mais interessantes para estudar porque a gravidade é a força dominante lá - na verdade, é infinitamente forte! Depois, há razões astrofísicas de interesse nos buracos negros. Eles desempenham papéis importantes nas galáxias, talvez até no comportamento em larga escala do universo e muito mais.

"A outra coisa a notar sobre os buracos negros é que eles são muito 'simples', especialmente quando comparados com estrelas e outros objetos astrofísicos. Isto é uma consequência do chamado teorema do 'sem cabelo', que afirma que os buracos negros podem ser totalmente caracterizados. por apenas três atributos - massa, carga e rotação. Essa simplicidade os torna particularmente atraentes para estudo e pesquisa.

Os buracos negros são conhecidos por exibirem uma gravidade tão forte que a luz nem consegue escapar, e embora a teoria da relatividade geral de Albert Einstein em 1915 seja frequentemente creditada como a primeira a propor o conceito de buracos negros, o conceito de um objeto cujo tamanho e gravidade não seriam permitir que a luz escape foi proposto pela primeira vez em uma carta de novembro de 1784 pelo filósofo e clérigo inglês John Mitchell.

Nesta carta, Mitchell referiu-se a estes objetos como “estrelas escuras”, uma vez que postulou que estrelas cujos diâmetros excedessem 500 vezes o diâmetro do nosso Sol desencadeariam a formação destes objetos. Além disso, ele sugeriu que as ondas gravitacionais que influenciam os corpos celestes próximos permitiriam a detecção desses objetos.

Avançando rapidamente para a teoria da relatividade geral de Einstein, que também previu a existência de buracos negros e ondas gravitacionais, ambos os quais continuaram a ser examinados ao longo do século 20, que inclui o que é chamado de "era de ouro da relatividade geral" durante a década de 1960 e década de 1970. Isto inclui o primeiro objeto aceito pela comunidade científica como um buraco negro, chamado Cygnus X-1, que foi descoberto em 1964. No entanto, foram necessários mais 52 anos para que a existência de ondas gravitacionais fosse confirmada através de uma fusão de buracos negros, que foi realizado pela Colaboração Científica LIGO.

Portanto, dada a extensa história combinada com descobertas importantes que ocorreram apenas nos últimos anos, quais são alguns dos benefícios e desafios do estudo dos buracos negros?

Khanna disse ao Universe Today:"Como afirmei acima, estudar buracos negros, que são uma consequência da teoria da relatividade de Einstein, oferece uma visão sobre a natureza da gravidade, do espaço e do tempo nos níveis mais fundamentais. Como físicos, ainda estamos para desenvolver uma compreensão completa da natureza quântica da gravidade, e os buracos negros são a chave para desvendar esse mistério.

"Sobre os desafios, eu diria que o mais claro talvez seja que os buracos negros só podem ser observados indiretamente. Ao contrário das estrelas, uma vez que não emitem radiação, é difícil para os astrónomos recolher dados sobre eles. Na melhor das hipóteses, podemos observar sua influência em seu ambiente (como gás, estrelas, etc.) e inferir suas propriedades e comportamento.

"Do lado teórico, embora seja verdade que os buracos negros são muito 'simples' em comparação com as estrelas, ainda existem desafios. A matemática e a física que os descrevem são bastante avançadas e mesmo as simulações de computador que os envolvem são desafiantes, exigindo um processamento massivo poder e memória."

Embora tenham passado mais de 100 anos entre a introdução da sua teoria da relatividade geral por Einstein em 1915 e a confirmação das ondas gravitacionais em 2016, foram necessários apenas mais três anos para os astrónomos publicarem a primeira imagem direta de um buraco negro no centro do Messier 87. galáxia.

Os resultados foram publicados no The Astrophysical Journal Letters e com base em observações feitas em 2017 pelo poderoso Event Horizon Telescope (EHT). Enquanto Messier 87 está localizado a aproximadamente 53 milhões de anos-luz da Terra, o hipotético buraco negro mais próximo, Gaia BH1, está localizado a aproximadamente 1.560 anos-luz da Terra. Em 2022, os astrônomos publicaram uma imagem direta de Sagitário A*, que é o buraco negro supermassivo no centro da nossa galáxia, a Via Láctea.

Khanna disse ao Universe Today:"Suponho que provavelmente me referiria ao meu trabalho recente sobre como buracos negros em rotação muito rápida tentam 'crescer cabelo', mas acabam falhando. O projeto é interessante porque parece sugerir uma violação do ' teorema sem cabelo que mencionei anteriormente, mas no final das contas não funciona. Então, é provocativo, mas aliviador!

"Mais importante ainda, estamos agora a utilizar o contexto principal dessa investigação para desenvolver uma nova 'assinatura' observacional ou testar buracos negros em rotação rápida, também conhecidos como buracos negros quase extremos. Tais buracos negros têm várias propriedades e aspectos peculiares e são uma área de pesquisa ativa."

Os buracos negros são estudados por astrônomos, físicos e astrofísicos, que usam uma combinação de teoria e observações para construir a aparência dos buracos negros e, em casos raros, conforme discutido, obtêm imagens diretas deles. Em relação à teoria, os pesquisadores usam cálculos matemáticos e modelos de computador para simular a aparência dos buracos negros e, em seguida, usaram poderosos telescópios terrestres como o EHT para obter as poucas imagens diretas dos buracos negros.

É importante notar que estas imagens diretas não capturam o buraco negro em si, mas os gases que circundam o horizonte de eventos do buraco negro, ou a fronteira não oficial onde a luz não consegue escapar do buraco negro.

Mas que conselho o Dr. Khanna pode oferecer aos futuros alunos que desejam continuar estudando buracos negros?

Khanna disse ao Universe Today:"Eu lhes ofereceria muito incentivo! Há muito o que fazer neste espaço e muitos mistérios para resolver. Novas observações abrirão muitas novas portas e novos caminhos para pesquisa. Isto está entre os melhores momentos para ser um astrofísico de buraco negro!"

Khanna continua:"A única coisa que eu poderia dizer que talvez não seja tão enfatizada em outros lugares é sobre a computação como uma ferramenta para estudar buracos negros. Principalmente, há grande ênfase no aprendizado de matemática avançada como base para pesquisas sérias em preto buracos negros - e por boas razões - isso continua a ser crítico para todos os estudantes da teoria da relatividade de Einstein, que é a base da física dos buracos negros.

"Nos últimos anos, as simulações computacionais avançaram rapidamente e agora é possível fazer grandes descobertas sobre questões profundas usando ferramentas computacionais. No longo prazo, a programação de computadores seria uma ferramenta muito promissora para o avanço da pesquisa neste campo e em muitos outros também. "