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Indicações de efeitos relativistas em estrelas que orbitam o buraco negro supermassivo situado no centro da Galáxia

9 de Agosto de 2017

Uma nova análise de dados obtidos com o Very Large Telescope do ESO e outros telescópios sugere que as órbitas das estrelas em torno do buraco negro supermassivo situado no centro da Via Láctea mostram os efeitos subtis previstos pela teoria da relatividade geral de Einstein. A órbita da estrela S2 parece desviar-se ligeiramente do percurso calculado pela física clássica. Este resultado é um prelúdio a medições muito mais precisas e testes de relatividade que serão executados pelo instrumento GRAVITY quando a estrela S2 passar muito perto do buraco negro em 2018.

No centro da Via Láctea, a 26 000 anos-luz de distância da Terra, situa-se o buraco negro supermassivo mais próximo de nós, com uma massa de 4 milhões de vezes a massa do Sol. Este “monstro” encontra-se rodeado por um pequeno grupo de estrelas que orbitam a alta velocidade no forte campo gravitacional do buraco negro. Trata-se do ambiente perfeito para testar a física gravitacional e, em particular, a teoria da relatividade geral de Einstein.

Uma equipa de astrónomos alemães e checos aplicou novas técnicas de análise a observações já existentes das estrelas que orbitam o buraco negro, obtidas com o Very Large Telescope do ESO (VLT) no Chile e outros telescópios durante os últimos 20 anos [1]. A equipa comparou as medições das órbitas das estrelas com previsões feitas, tanto com a teoria da gravidade clássica de Newton como com a teoria da relatividade geral de Einstein.

Os investigadores encontraram indicações de um pequeno desvio no movimento de uma das estrelas, chamada S2, consistente com as previsões da relatividade geral [2]. O desvio devido a efeitos relativistas é de apenas alguns % na forma da órbita e de cerca de 1/6 de grau na orientação da órbita [3]. Se se confirmar, esta terá sido a primeira vez que se conseguiu fazer uma medição da intensidade dos efeitos da relatividade geral em estrelas que orbitam um buraco negro supermassivo.

Marzieh Parsa, estudante de doutoramento da Universidade de Colónia, na Alemanha, e autora principal do artigo científico que descreve estes resultados, está muito satisfeita: ”O Centro Galáctico é de facto o melhor laboratório para estudar o movimento de estrelas num ambiente relativista. Estou espantada como conseguimos aplicar tão bem os métodos que desenvolvemos com estrelas simuladas a dados de elevada precisão das estrelas mais interiores de alta velocidade, que se situam perto do buraco negro supermassivo.”

A elevada precisão das medições de posição, possível graças aos instrumentos de óptica adaptativa do VLT a operar no infravermelho próximo, foi essencial para o sucesso deste estudo [4], tendo sido vital não apenas durante a aproximação da estrela ao buraco negro, mas particularmente durante o período de tempo em que a S2 se encontrava mais afastada do buraco negro. Estes últimos dados permitiram determinar exatamente a forma da órbita.

“Durante a nossa análise compreendemos que para determinar os efeitos relativistas para a S2, é necessário conhecer a sua órbita completa com uma precisão muito elevada”, disse Andreas Eckart, líder da equipa da Universidade de Colónia.

Para além de informação mais precisa sobre a órbita da S2, a nova análise dá-nos também a massa do buraco negro e a sua distância à Terra com um elevado grau de precisão [5].

O co-autor Vladimir Karas da Academia de Ciências de Praga, na República Checa, está entusiasmado com o que o futuro trará: “Este trabalho abre caminho para mais teorias e experiências nesta área da ciência.”

Esta análise é precursora de um interessante período de observações do Centro Galáctico que será realizado por astrónomos em todo o mundo. Durante 2018 a estrela S2 irá aproximar-se bastante do buraco negro supermassivo. Nessa altura o instrumento GRAVITY, desenvolvido por um grande consórcio internacional liderado pelo Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik em Garching, na Alemanha [6], e instalado no Interferómetro do VLT [7], estará disponível para ajudar a medir órbitas com muito mais precisão do que o atualmente possível. Nessa altura espera-se que o GRAVITY, que se encontra já a fazer medições de alta precisão do Centro Galáctico, revele não só os efeitos da relatividade geral muito claramente, mas também permita aos astrónomos procurar desvios à relatividade geral que possam revelar uma nova física.

Notas

[1] Neste estudo foram utilizados dados da câmara NACO, que opera no infravermelho próximo e está montada no Telescópio Principal 1 do VLT (Antu), e do SINFONI, o espectrómetro de imagens que opera também no infravermelho próximo e se encontra montado no Telescópio Principal 4 (Yepun). Foram ainda utilizados dados adicionais já publicados do Observatório Keck.

[2] A S2 é uma estrela com 15 vezes a massa solar que se encontra numa órbita elíptica em torno do buraco negro supermassivo. Tem um período orbital de cerca de 15,6 anos e chega a aproximar-se do buraco negro 17 horas-luz — ou seja, cerca de 120 vezes a distância média entre a Terra e o Sol.

[3] Observa-se um efeito semelhante mas muito menor na órbita do planeta Mercúrio no Sistema Solar, tendo esta sida uma das melhores medições e uma das mais antigas evidências, do final do século XIX, que sugeriram que a visão de Newton relativa à gravidade não estaria completa e que uma nova aproximação seria necessária para compreender a gravidade no caso de forças mais intensas. Este resultado culminou com Einstein a publicar a sua teoria da relatividade geral, baseada no espaço-tempo curvo, em 1915.

Quando as órbitas das estrelas ou planetas são calculadas usando a relatividade geral, em vez da gravidade newtoniana, a sua evolução é diferente. As previsões dos pequenos desvios na forma e orientação das órbitas são diferentes nas duas teorias e podem por isso ser comparados a medições para testar a validade da relatividade geral.

[4] Um sistema de óptica adaptativa compensa as distorções nas imagens causadas pela turbulência atmosférica em tempo real, permitindo usar o telescópio com maior resolução angular (nitidez de imagem), em princípio apenas limitada pelo diâmetro do espelho e pelo comprimento de onda usado nas observações.

[5] A equipa determinou uma massa de 4,2 milhões de vezes a massa do Sol para o buraco negro e uma distância de 8,2 kpc, o que corresponde a quase 27 000 anos-luz.

[6] A Universidade de Colónia faz parte da equipa GRAVITY (http://www.mpe.mpg.de/ir/gravity), tendo contribuído para o sistema com os espectrómetros que combinam os raios.

[7] O GRAVITY viu a sua primeira luz no início de 2016 e encontra-se já a observar o Centro Galáctico.

Informações adicionais

Este trabalho foi descrito num artigo científico intitulado “Investigating the Relativistic Motion of the Stars Near the Black Hole in the Galactic Center”, de M. Parsa et al., que será publicado na revista da especialidade Astrophysical Journal.

A equipa é composta por: Marsieh Parsa, Andreas Eckart (I.Physikalisches Institut da Universidade de Colónia, Alemanha; Instituto Max Planck de Rádio Astronomia, Bona, Alemanha), Banafsheh Shahzamanian (I.Physikalisches Institut da Universidade de Colónia, Alemanha), Christian Straubmeier (I.Physikalisches Institut da Universidade de Colónia, Alemanha), Vladimir Karas (Instituto Astronómico, Academia de Ciências, Praga, República Checa), Michal Zajacek (Instituto Max Planck de Rádio Astronomia, Bona, Alemanha; I.Physikalisches Institut da Universidade de Colónia, Alemanha) e J. Anton Zensus (Instituto Max Planck de Rádio Astronomia, Bona, Alemanha).

O ESO é a mais importante organização europeia intergovernamental para a investigação em astronomia e é de longe o observatório astronómico mais produtivo do mundo. O ESO é  financiado por 16 países: Alemanha, Áustria, Bélgica, Brasil, Dinamarca, Espanha, Finlândia, França, Holanda, Itália, Polónia, Portugal, Reino Unido, República Checa, Suécia e Suíça, assim como pelo Chile, o país de acolhimento. O ESO destaca-se por levar a cabo um programa de trabalhos ambicioso, focado na concepção, construção e operação de observatórios astronómicos terrestres de ponta, que possibilitam aos astrónomos importantes descobertas científicas. O ESO também tem um papel importante na promoção e organização de cooperação na investigação astronómica. O ESO mantém em funcionamento três observatórios de ponta no Chile: La Silla, Paranal e Chajnantor. No Paranal, o ESO opera  o Very Large Telescope, o observatório astronómico óptico mais avançado do mundo e dois telescópios de rastreio. O VISTA, o maior telescópio de rastreio do mundo que trabalha no infravermelho e o VLT Survey Telescope, o maior telescópio concebido exclusivamente para mapear os céus no visível. O ESO é um parceiro principal no ALMA, o maior projeto astronómico que existe atualmente. E no Cerro Armazones, próximo do Paranal, o ESO está a construir o European Extremely Large Telescope (E-ELT) de 39 metros, que será “o maior olho do mundo virado para o céu”.

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Email: parsa@ph1.uni-koeln.de

Andreas Eckart
I. Physikalisches Institut, Universität zu Köln
Köln, Alemanha
Tel.: +49(0)221/470-3546
Email: eckart@ph1.uni-koeln.de

Vladimir Karas
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Tel.: +420-226 258 420
Email: vladimir.karas@cuni.cz

Richard Hook
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Imagem artística das órbitas de 3 estrelas próximas do Centro Galáctico
Imagem artística das órbitas de 3 estrelas próximas do Centro Galáctico
Imagem artística do efeito da relatividade geral na órbita da estrela S2 no Centro Galáctico
Imagem artística do efeito da relatividade geral na órbita da estrela S2 no Centro Galáctico
Imagem do Centro Galáctico
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Vídeos

ESOcast 121 Light: Estrela em órbita de buraco negro supermassivo prova que Einstein estava certo (4K UHD)
ESOcast 121 Light: Estrela em órbita de buraco negro supermassivo prova que Einstein estava certo (4K UHD)
Órbitas de 3 estrelas muito próximas do centro da Via Láctea
Órbitas de 3 estrelas muito próximas do centro da Via Láctea