Três cientistas ganharam o Prêmio Nobel de Física na terça-feira por estabelecer a realidade muito estranha dos buracos negros - os monstros cósmicos saídos da ficção científica que sugam luz e tempo e eventualmente nos engolirão, também.

Roger Penrose da Grã-Bretanha, Reinhard Genzel da Alemanha e Andrea Ghez dos Estados Unidos explicaram ao mundo esses becos sem saída do cosmos que ainda não são completamente compreendidos, mas estão profundamente conectados, de alguma forma, para a criação de galáxias.

Penrose, um homem de 89 anos na Universidade de Oxford, recebeu metade do prêmio por provar com a matemática em 1964 que a teoria geral da relatividade de Einstein previu a formação de buracos negros, mesmo que o próprio Einstein não achasse que existissem.

Genzel, que está no Instituto Max Planck na Alemanha e na Universidade da Califórnia, Berkeley, e Ghez, da Universidade da Califórnia, Los Angeles, recebeu a outra metade do prêmio por descobrir, na década de 1990, um buraco negro supermassivo no centro de nossa galáxia.

Os buracos negros fascinam as pessoas porque "a ideia de algum monstro por aí sugando tudo é uma coisa muito estranha, "Penrose disse em uma entrevista à Associated Press. Ele disse que nossa galáxia e as galáxias perto de nós" serão engolidas por um buraco negro totalmente enorme. Este é o destino ... mas não por muito tempo, portanto, não é algo com que se preocupar muito. "

Os buracos negros estão no centro de cada galáxia, e outros menores pontilham o universo. Apenas sua existência é alucinante. Eles são tão grandes que nada, nem mesmo luz, pode escapar de sua atração gravitacional. Eles distorcem e distorcem a luz de uma forma que parece irreal e fazem com que o tempo diminua e pare.

"Buracos negros, porque são tão difíceis de entender, é o que os torna tão atraentes, '' Ghez, 55, disse depois de se tornar a quarta mulher a ganhar um Nobel de Física. "Eu realmente penso na ciência como um grande, quebra-cabeça gigante. "

Enquanto os três cientistas mostraram a existência de buracos negros, só no ano passado as pessoas puderam ver um por si mesmas, quando outra equipe científica capturou a primeira e única imagem ótica de um. Parece um donut flamejante do inferno, mas está em uma galáxia a 53 milhões de anos-luz da Terra.

Penrose, um físico matemático que recebeu o telefonema do Comitê do Nobel enquanto estava no chuveiro, ficou surpreso com sua vitória porque seu trabalho é mais teórico do que observacional, e geralmente não é isso que ganha o Nobel de física.

O que fascinou Penrose mais do que o buraco negro foi o que estava do outro lado, algo chamado de "singularidade". É algo que a ciência ainda não consegue descobrir.

"Singularidade, esse é um lugar onde as densidades e curvaturas vão ao infinito. Você espera que a física enlouqueça, "ele disse de sua casa." Se você cair em um buraco negro, então, você inevitavelmente é esmagado nessa singularidade no final. E é o fim. "

Penrose disse que estava indo para o trabalho com um colega há 56 anos, pensando em "como seria estar nessa situação em que todo esse material está se desintegrando ao seu redor". Ele percebeu que tinha "uma estranha sensação de euforia, "e foi então que as coisas começaram a se encaixar em sua mente.

Martin Rees, o astrônomo britânico real, observou que Penrose desencadeou um "renascimento" no estudo da relatividade na década de 1960, e essa, junto com um jovem Stephen Hawking, ele ajudou a firmar evidências do Big Bang e dos buracos negros.

"Penrose e Hawking são os dois indivíduos que fizeram mais do que ninguém desde Einstein para aprofundar nosso conhecimento da gravidade, "Rees disse." Infelizmente, este prêmio foi muito atrasado para permitir que Hawking compartilhasse o crédito. "

Hawking morreu em 2018, e os prêmios Nobel são concedidos apenas aos vivos.

O astrofísico da Universidade de Nova York Glennys Farrar disse:"Não há dúvida de que se este prêmio foi concedido quando Hawking ainda estava vivo, ele iria compartilhar. Ele fez um trabalho mais significativo sobre este assunto do que quase qualquer pessoa. "

Genzel, 68, e Ghez venceu porque "eles mostraram que os buracos negros não são apenas teoria - eles são reais, eles estão aqui, e há um buraco negro do tamanho de um monstro no centro da nossa galáxia, a via Láctea, "disse Brian Greene, um físico teórico e matemático na Universidade de Columbia.

Na década de 1990, Genzel e Ghez, liderando grupos separados de astrônomos, direcionou sua visão para o centro coberto de poeira da nossa galáxia, a Via Láctea, uma região chamada Sagitário A (asterisco), onde algo estranho estava acontecendo. Era "extremamente pesado, objeto invisível que puxa o amontoado de estrelas, fazendo-os correr em velocidades vertiginosas, "de acordo com o Comitê do Nobel.

Foi um buraco negro. Não apenas um buraco negro comum, mas supermassivo, 4 milhões de vezes a massa do nosso sol.

A primeira imagem que Ghez conseguiu foi em 1995, usando o telescópio Keck no Havaí, que acabara de ficar online. Um ano depois, outra imagem parecia indicar que as estrelas perto do centro da Via Láctea giravam em torno de alguma coisa. Uma terceira imagem levou Ghez e Genzel a pensar que estavam realmente no caminho certo.

Uma competição acirrada se desenvolveu entre Ghez e Genzel, cuja equipe estava usando uma série de telescópios no Observatório Europeu do Sul, no Chile.

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"A rivalidade deles os elevou a patamares científicos maiores, "disse o astrônomo de Harvard Avi Loeb.

Ao contrário de outras conquistas homenageadas com o Nobel, não há aplicação prática para essas descobertas.

"Existe uma aplicação prática para a Nona Sinfonia de Beethoven?" Greene de Columbia perguntou. "Mas sua existência, este tipo de conhecimento espetacular, faz parte do que dá sentido à vida. "

O Nobel vem com uma medalha de ouro e 10 milhões de coroas suecas (mais de US $ 1,1 milhão), cortesia de um legado deixado 124 anos atrás pelo criador do prêmio, Alfred nobel, o inventor da dinamite.

Na segunda-feira, o Nobel de medicina foi concedido aos americanos Harvey J. Alter e Charles M. Rice e ao cientista britânico Michael Houghton por terem descoberto o vírus da hepatite C, que destrói o fígado. Os prêmios de química, literatura, paz e economia serão anunciadas nos próximos dias.

Anúncio da Fundação Nobel:

A Real Academia de Ciências da Suécia decidiu conceder o Prêmio Nobel de Física 2020

com uma metade para

Roger Penrose

Universidade de Oxford, Reino Unido

"para a descoberta de que a formação de buracos negros é uma previsão robusta da teoria geral da relatividade"

e a outra metade em conjunto com

Reinhard Genzel

Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, Garching, Alemanha e Universidade da Califórnia, Berkeley, NÓS.

e

Andrea Ghez

Universidade da Califórnia, Los Angeles, NÓS.

"para a descoberta de um objeto compacto supermassivo no centro de nossa galáxia"

Buracos negros e o segredo mais sombrio da Via Láctea

Três laureados dividem o Prêmio Nobel de Física deste ano por suas descobertas sobre um dos fenômenos mais exóticos do universo, o buraco negro. Roger Penrose mostrou que a teoria geral da relatividade leva à formação de buracos negros. Reinhard Genzel e Andrea Ghez descobriram que um objeto invisível e extremamente pesado governa as órbitas das estrelas no centro de nossa galáxia. Um buraco negro supermassivo é a única explicação atualmente conhecida.

Roger Penrose usou métodos matemáticos engenhosos em sua prova de que os buracos negros são uma consequência direta da teoria geral da relatividade de Albert Einstein. O próprio Einstein não acreditava que os buracos negros realmente existissem, esses monstros superpesados ​​que capturam tudo que entra neles. Nada pode escapar, nem mesmo luz.

Em janeiro de 1965, dez anos após a morte de Einstein, Roger Penrose provou que os buracos negros realmente podem se formar e os descreveu em detalhes; no coração deles, os buracos negros escondem uma singularidade em que cessam todas as leis conhecidas da natureza. Seu artigo inovador ainda é considerado a contribuição mais importante para a teoria da relatividade geral desde Einstein.

Reinhard Genzel e Andrea Ghez lideram, cada um, um grupo de astrônomos que, desde o início de 1990, concentrou-se em uma região chamada Sagitário A * no centro de nossa galáxia. As órbitas das estrelas mais brilhantes próximas ao meio da Via Láctea foram mapeadas com precisão crescente. As medições desses dois grupos concordam, com ambos encontrando um extremamente pesado, objeto invisível que puxa o amontoado de estrelas, fazendo-os correr a uma velocidade vertiginosa. Cerca de quatro milhões de massas solares estão agrupadas em uma região não maior do que nosso sistema solar.

Usando os maiores telescópios do mundo, Genzel e Ghez desenvolveram métodos para ver através das enormes nuvens de gás interestelar e poeira até o centro da Via Láctea. Ampliando os limites da tecnologia, eles refinaram novas técnicas para compensar as distorções causadas pela atmosfera da Terra, construindo instrumentos únicos e comprometendo-se com pesquisas de longo prazo. Seu trabalho pioneiro nos deu a evidência mais convincente de um buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea.

"As descobertas dos laureados deste ano abriram novos caminhos no estudo de objetos compactos e supermassivos. Mas esses objetos exóticos ainda colocam muitas questões que imploram por respostas e motivam pesquisas futuras. Não apenas questões sobre sua estrutura interna, mas também questões sobre como testar nossa teoria da gravidade sob as condições extremas nas imediações de um buraco negro ", diz David Haviland, presidente do Comitê Nobel de Física.

Um avanço além de Einstein

Nem mesmo Albert Einstein, o pai da relatividade geral, pensei que buracos negros poderiam realmente existir. Contudo, dez anos após a morte de Einstein, o teórico britânico Roger Penrose demonstrou que buracos negros podem se formar e descreveu suas propriedades. Em seu coração, buracos negros escondem uma singularidade, uma fronteira na qual todas as leis conhecidas da natureza se rompem.

Para provar que a formação de buracos negros é um processo estável, Penrose precisava expandir os métodos usados ​​para estudar a teoria da relatividade - enfrentando os problemas da teoria com novos conceitos matemáticos. O artigo inovador de Penrose foi publicado em janeiro de 1965 e ainda é considerado a contribuição mais importante para a teoria da relatividade geral desde Einstein.

A gravidade mantém o universo em suas garras

Os buracos negros são talvez a consequência mais estranha da teoria geral da relatividade. Quando Albert Einstein apresentou sua teoria em novembro de 1915, derrubou todos os conceitos anteriores de espaço e tempo. A teoria forneceu uma base inteiramente nova para a compreensão da gravidade, que molda o universo em maior escala. Desde então, esta teoria forneceu a base para todos os estudos do universo, e também tem um uso prático em uma de nossas ferramentas de navegação mais comuns, o GPS.

A teoria de Einstein descreve como tudo e todos no universo são mantidos nas garras da gravitação. A gravidade nos mantém na Terra, ele governa as órbitas dos planetas ao redor do Sol e a órbita do Sol ao redor do centro da Via Láctea. Isso leva ao nascimento de estrelas de nuvens interestelares, e, eventualmente, sua morte em um colapso gravitacional. A gravitação dá forma ao espaço e influencia a passagem do tempo. Uma massa pesada dobra o espaço e retarda o tempo; uma massa extremamente pesada pode até mesmo cortar e encapsular um pedaço do espaço - formando um buraco negro.

A primeira descrição teórica do que hoje chamamos de buraco negro veio apenas algumas semanas após a publicação da teoria geral da relatividade. Apesar das equações matemáticas extremamente complicadas da teoria, o astrofísico alemão Karl Schwarzschild foi capaz de fornecer a Einstein uma solução que descreveu como massas pesadas podem dobrar o espaço e o tempo.

Estudos posteriores mostraram que, uma vez que um buraco negro se formou, é cercado por um horizonte de eventos que envolve a massa em seu centro como um véu. O buraco negro permanece para sempre escondido dentro de seu horizonte de eventos. Quanto maior a massa, quanto maior o buraco negro e seu horizonte. Para uma massa equivalente ao Sol, o horizonte de eventos tem um diâmetro de quase três quilômetros e, para uma massa como a da Terra, seu diâmetro é de apenas nove milímetros.

Uma solução além da perfeição

O conceito de 'buraco negro' encontrou um novo significado em muitas formas de expressão cultural, mas, para físicos, os buracos negros são o ponto final natural da evolução das estrelas gigantes. O primeiro cálculo do colapso dramático de uma estrela massiva foi feito no final da década de 1930, pelo físico Robert Oppenheimer, que mais tarde liderou o Projeto Manhattan que construiu a primeira bomba atômica. Quando estrelas gigantes, muitas vezes mais pesado que o Sol, Ficar sem combustível, eles explodem primeiro como supernovas e, em seguida, colapsam em remanescentes extremamente densos, tão pesado que a gravidade puxa tudo para dentro, mesmo luz.

A ideia de 'estrelas escuras' foi considerada já no final do século 18, nas obras do filósofo e matemático britânico John Michell e do renomado cientista francês Pierre Simon de Laplace. Ambos raciocinaram que os corpos celestes poderiam se tornar tão densos que seriam invisíveis - nem mesmo a velocidade da luz seria rápida o suficiente para escapar de sua gravidade.

Um pouco mais de um século depois, quando Albert Einstein publicou sua teoria geral da relatividade, algumas das soluções para as equações notoriamente difíceis da teoria descreviam apenas essas estrelas escuras. Até 1960, essas soluções foram consideradas especulações puramente teóricas, descrevendo situações ideais em que as estrelas e seus buracos negros eram perfeitamente redondos e simétricos. Mas nada no universo é perfeito, e Roger Penrose foi o primeiro a encontrar com sucesso uma solução realista para toda a matéria em colapso, com seus dints, covinhas e imperfeições naturais.

O mistério dos quasares

A questão da existência de buracos negros ressurgiu em 1963, com a descoberta de quasares, os objetos mais brilhantes do universo. Por quase uma década, os astrônomos ficaram intrigados com os raios de rádio de fontes misteriosas, como 3C273 na constelação de Virgem. A radiação na luz visível finalmente revelou sua verdadeira localização - 3C273 está tão longe que os raios viajam em direção à Terra por mais de um bilhão de anos.

Se a fonte de luz estiver muito longe, deve ter uma intensidade igual à luz de várias centenas de galáxias. Recebeu o nome de 'quasar'. Os astrônomos logo encontraram quasares tão distantes que emitiram sua radiação na primeira infância do universo. De onde vem essa radiação incrível? Só existe uma maneira de obter tanta energia dentro do volume limitado de um quasar - da matéria caindo em um buraco negro massivo.

Superfícies presas resolveram o enigma

Se buracos negros poderiam se formar em condições realistas, era uma questão que intrigava Roger Penrose. A resposta, como ele lembrou mais tarde, apareceu no outono de 1964 durante uma caminhada com um colega em Londres, onde Penrose foi professor de matemática no Birkbeck College. Quando eles pararam de falar por um momento para atravessar uma rua lateral, uma ideia surgiu em sua mente. Mais tarde naquela tarde, ele procurou por isso em sua memória. Esta ideia, que ele chamou de superfícies presas, era a chave que ele estava procurando inconscientemente, uma ferramenta matemática crucial necessária para descrever um buraco negro.

Uma superfície presa força todos os raios a apontar para um centro, independentemente de a superfície se curvar para fora ou para dentro. Usando superfícies presas, Penrose conseguiu provar que um buraco negro sempre esconde uma singularidade, uma fronteira onde o tempo e o espaço terminam. Sua densidade é infinita e, ainda, não há teoria de como abordar esse fenômeno mais estranho da física.

As superfícies presas se tornaram um conceito central na conclusão da prova de Penrose do teorema da singularidade. Os métodos topológicos que ele introduziu agora são inestimáveis ​​no estudo de nosso universo curvo.

Uma rua de mão única para o fim dos tempos

Uma vez que a matéria começa a entrar em colapso e uma superfície presa se forma, nada pode impedir que o colapso continue. Não há caminho de volta, como na história contada pelo físico e ganhador do Prêmio Nobel Subrahmanyan Chandrasekhar, desde sua infância na Índia. A história é sobre libélulas e suas larvas, que vivem debaixo d'água. Quando uma larva está pronta para abrir suas asas, ele promete que contará a seus amigos como é a vida do outro lado da superfície da água. Mas, uma vez que a larva passa pela superfície e voa como uma libélula, não há retorno. As larvas na água nunca ouvirão a história da vida do outro lado.

De forma similar, toda a matéria só pode cruzar o horizonte de eventos de um buraco negro em uma direção. O tempo então substitui o espaço e todos os caminhos possíveis apontam para dentro, o fluxo do tempo levando tudo para um fim inevitável na singularidade. Você não sentirá nada se cair no horizonte de eventos de um buraco negro supermassivo. De fora, ninguém pode ver você caindo e sua jornada em direção ao horizonte continua para sempre. Perscrutar um buraco negro não é possível dentro das leis da física; buracos negros escondem todos os seus segredos por trás de seus horizontes de eventos.

Buracos negros governam os caminhos das estrelas

Mesmo que não possamos ver o buraco negro, é possível estabelecer suas propriedades observando como sua gravidade colossal direciona os movimentos das estrelas circundantes.

Reinhard Genzel e Andrea Ghez lideram grupos de pesquisa separados que exploram o centro de nossa galáxia, a via Láctea. Com a forma de um disco plano de cerca de 100, 000 anos-luz de diâmetro, consiste em gás e poeira e algumas centenas de bilhões de estrelas; uma dessas estrelas é o nosso sol. Do nosso ponto de vista na Terra, enormes nuvens de gás interestelar e poeira obscurecem a maior parte da luz visível que vem do centro da galáxia. Telescópios infravermelhos e tecnologia de rádio foram os primeiros a permitir aos astrônomos ver através do disco da galáxia e imagens das estrelas no centro.

Usando as órbitas das estrelas como guias, Genzel e Ghez produziram a evidência mais convincente de que existe um objeto supermassivo invisível escondido lá. Um buraco negro é a única explicação possível.

Concentre-se no centro

Por mais de cinquenta anos, os físicos suspeitam que pode haver um buraco negro no centro da Via Láctea. Desde que os quasares foram descobertos no início dos anos 1960, os físicos raciocinaram que buracos negros supermassivos podem ser encontrados dentro da maioria das grandes galáxias, incluindo a Via Láctea. Contudo, ninguém pode atualmente explicar como as galáxias e seus buracos negros, entre alguns milhões e muitos bilhões de massas solares, foram formadas.

Cem anos atrás, o astrônomo americano Harlow Shapley foi o primeiro a identificar o centro da Via Láctea, na direção da constelação de Sagitário. Com observações posteriores, os astrônomos encontraram uma forte fonte de ondas de rádio lá, que recebeu o nome de Sagitário A *. No final da década de 1960, ficou claro que Sagitário A * ocupa o centro da Via Láctea, em torno da qual todas as estrelas da galáxia orbitam.

Foi só na década de 1990 que telescópios maiores e melhores equipamentos permitiram estudos mais sistemáticos de Sagitário A *. Reinhard Genzel e Andrea Ghez iniciaram projetos para tentar ver através das nuvens de poeira o coração da Via Láctea. Junto com seus grupos de pesquisa, eles desenvolveram e refinaram suas técnicas, construindo instrumentos únicos e comprometendo-se com pesquisas de longo prazo.

Apenas os maiores telescópios do mundo serão suficientes para observar estrelas distantes - quanto maiores, melhor é absolutamente verdade em astronomia. O astrônomo alemão Reinhard Genzel e seu grupo inicialmente usaram NTT, o Telescópio da Nova Tecnologia na montanha La Silla, no Chile. Eles finalmente moveram suas observações para a instalação do Very Large Telescope, VLT, na montanha do Paranal (também no Chile). Com quatro telescópios gigantes com o dobro do tamanho do NTT, o VLT tem os maiores espelhos monolíticos do mundo, cada um com um diâmetro de mais de 8 metros.

Nos E.U.A., Andrea Ghez e sua equipe de pesquisa usam o Observatório Keck, localizado na montanha havaiana de Mauna Kea. Seus espelhos têm quase 10 metros de diâmetro e estão atualmente entre os maiores do mundo. Cada espelho é como um favo de mel, consistindo em 36 segmentos hexagonais que podem ser controlados separadamente para melhor focalizar a luz das estrelas.

As estrelas mostram o caminho

Por maiores que sejam os telescópios, há sempre um limite para os detalhes que eles podem resolver, porque vivemos no fundo de um mar atmosférico de quase 100 quilômetros de profundidade. Grandes bolhas de ar acima do telescópio, que são mais quentes ou mais frios do que seus arredores, agem como lentes e refratam a luz em seu caminho para o espelho do telescópio, distorcendo as ondas de luz. É por isso que as estrelas cintilam e também porque suas imagens estão borradas.

O advento da óptica adaptativa foi crucial para melhorar as observações. Os telescópios agora são equipados com um espelho extra fino que compensa a turbulência do ar e corrige a imagem distorcida.

Por quase trinta anos, Reinhard Genzel e Andrea Ghez seguiram suas estrelas na confusão estelar distante no centro de nossa galáxia. Eles continuam a desenvolver e refinar a tecnologia, com sensores de luz digital mais sensíveis e melhor óptica adaptativa, de modo que a resolução da imagem melhorou mais de mil vezes. Eles agora são capazes de determinar com mais precisão as posições das estrelas, seguindo-os noite após noite.

Os pesquisadores rastreiam cerca de trinta das estrelas mais brilhantes da multidão. As estrelas se movem mais rapidamente dentro de um raio de um mês-luz do centro, dentro da qual executam uma dança agitada como a de um enxame de abelhas. As estrelas que estão fora desta área, por outro lado, seguem suas órbitas elípticas de uma maneira mais ordenada.

Uma estrela, chamado S2 ou S-O2, completa uma órbita do centro da galáxia em menos de 16 anos. Este é um tempo extremamente curto, então os astrônomos puderam mapear toda a sua órbita. Podemos comparar isso com o Sol, que leva mais de 200 milhões de anos para completar uma volta ao redor do centro da Via Láctea; dinossauros caminhavam pela Terra quando começamos nossa volta atual.

Teoria e observações seguem uma à outra

A concordância entre as medições das duas equipes foi excelente, levando à conclusão de que o buraco negro no centro de nossa galáxia deve ser equivalente a cerca de 4 milhões de massas solares, embalado em uma região do tamanho de nosso sistema solar.

Em breve teremos uma visão direta de Sagitário A *. Este é o próximo da lista porque, pouco mais de um ano atrás, a rede de astronomia do Event Horizon Telescope teve sucesso em imaginar os arredores mais próximos de um buraco negro supermassivo. Mais longe em, na galáxia conhecida como Messier 87 (M87), 55 milhões de anos-luz de nós, é um olho mais preto do que preto rodeado por um anel de fogo.

O núcleo preto do M87 é gigantesco, mais de mil vezes mais pesado do que Sagitário A *. Os buracos negros em colisão que causaram as ondas gravitacionais recentemente descobertas eram consideravelmente mais leves. Como buracos negros, ondas gravitacionais existiam apenas como cálculos da teoria geral da relatividade de Einstein, antes de ser capturado pela primeira vez no outono de 2015, pelo detector LIGO nos EUA (Prêmio Nobel de Física, 2017).

O que não sabemos

Roger Penrose mostrou que os buracos negros são uma consequência direta da teoria da relatividade geral, mas, na gravidade infinitamente forte da singularidade, esta teoria deixa de se aplicar. Um trabalho intensivo está sendo realizado no campo da física teórica para criar uma nova teoria da gravidade quântica. Isso deve unir os dois pilares da física, a teoria da relatividade e a mecânica quântica, que se encontram no extremo interior dos buracos negros.

Ao mesmo tempo, as observações estão se aproximando de buracos negros. O trabalho pioneiro de Reinhard Genzel e Andrea Ghez abriu o caminho para novas gerações de testes precisos da teoria da relatividade geral e suas previsões mais bizarras. Provavelmente, essas medições também serão capazes de fornecer pistas para novos insights teóricos. O universo tem muitos segredos e surpresas a serem descobertas.

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