Um episódio violento de desintegração estelar registado em 2024 deu aos astrónomos a evidência mais completa até hoje de um buraco negro a torcer a própria malha do espaço-tempo à sua volta.
Este fenómeno chama-se arrastamento de referenciais, também conhecido como efeito de Lense-Thirring. A sua observação no núcleo de uma galáxia designada LEDA 145386, a cerca de 400 milhões de anos-luz da Terra, abriu uma rara janela para ver a relatividade geral a manifestar-se praticamente em tempo real.
“This is a real gift for physicists as we confirm predictions made more than a century ago,” afirma o astrofísico Cosimo Inserra, da Universidade de Cardiff, no Reino Unido. “Not only that, but these observations also tell us more about the nature of TDEs – when a star is shredded by the immense gravitational forces exerted by a black hole.”
Arrastamento de referenciais (efeito de Lense-Thirring) e relatividade geral
O arrastamento de referenciais é uma consequência prevista pela relatividade geral - e pode ser imaginado de forma simples. Pense-se numa colher dentro de mel a rodar: o mel é arrastado pelo movimento, com um efeito mais intenso perto da colher e cada vez mais fraco à medida que aumenta a distância.
Tudo o que tem massa deforma gravitacionalmente o espaço-tempo; e, quando essa massa roda, a deformação adquire também uma espécie de torção associada à rotação. Já foram feitas várias medições de arrastamento de referenciais, incluindo observações do seu impacto em satélites em órbita da própria Terra.
No entanto, nas proximidades do nosso planeta o efeito é ténue. O arrastamento torna-se muito mais evidente em torno de objectos com alguns milhões de vezes a massa do Sol, como os buracos negros supermassivos, o que transforma estes ambientes em laboratórios privilegiados para perceber como o fenómeno funciona.
A desvantagem é que, regra geral, os buracos negros supermassivos estão demasiado distantes para que seja possível estudar ao detalhe as suas actividades mais subtis. Por isso, muitas vezes é preciso esperar por um acontecimento catastrófico - como a destruição de uma estrela - para se conseguir medir comportamentos difíceis de detectar.
O buraco negro de LEDA 145386 e um evento de disrupção por marés (TDE)
É precisamente isso que acontece com o buraco negro no centro de LEDA 145386, cuja massa ronda 5 milhões de vezes a do Sol.
Em Janeiro de 2024, a Instalação Zwicky para Fenómenos Transitórios registou um aumento abrupto de brilho. Os cientistas concluíram que o padrão era compatível com um evento de disrupção por marés (TDE, do inglês tidal disruption event) - o “grito” luminoso libertado quando uma estrela em passagem é dilacerada pela gravidade extrema do buraco negro. Estes eventos são conhecidos, mas são raros e particularmente interessantes, pelo que os astrónomos continuaram a monitorização.
“When a star passes close to the supermassive black hole, the black hole's strong gravity stretches it out and eventually tears it apart, so that material from the star starts falling onto it,” explica o astrónomo Santiago del Palacio, da Universidade de Tecnologia de Chalmers, na Suécia.
“Such an event becomes very bright; when a new one was discovered by an optical telescope, it triggered us to start observing the black hole in different wavelengths as quickly as possible.”
Com o passar do tempo, surgiu um comportamento inesperado. A cada 19.6 dias, os raios X emitidos pelo buraco negro mudavam de brilho em mais de uma ordem de grandeza. Em paralelo, a emissão de rádio também oscilava, com uma variação superior a quatro ordens de grandeza. De forma reveladora, as flutuações em raios X e em rádio estavam sincronizadas.
Disco de acreção, jacto e a “oscilação” sincronizada
Quando um buraco negro está a consumir uma estrela, o fenómeno recebe o nome de evento de disrupção por marés, porque a estrela é desfeita pelas forças de maré - isto é, pela atracção gravitacional do buraco negro. Nessa fase, a estrela não desaparece de imediato para lá do horizonte de eventos; em vez disso, o material desmembrado é expelido e organiza-se num disco de acreção em órbita, que vai caindo gradualmente em direcção ao horizonte.
Nem todo o material acaba por ser engolido. Os astrónomos suspeitam que uma parte seja acelerada ao longo das linhas do campo magnético em direcção aos pólos do buraco negro e, aí, seja lançada para o espaço com enorme força, formando jactos gigantescos de matéria a velocidades próximas da da luz.
O disco de acreção emite radiação de raios X; já a aceleração sincrotrão no jacto produz luz de rádio. O facto de ambos variarem em conjunto sugere que toda a estrutura está a oscilar como um pião - um efeito consistente com o arrastamento de referenciais.
“Such cross-band, high-amplitude, and quasi-periodic synchronous variability strongly suggests a rigid coupling between the accretion disk and the jet, which precesses like a gyroscope around the black hole's spin axis,” afirma a co-primeira autora Yanan Wang, da Academia Chinesa de Ciências.
Modelos em que disco e jacto oscilam em conjunto produziram resultados semelhantes, reforçando a ideia de que sistemas como o buraco negro turbulento de LEDA 145386 podem servir de laboratório não só para investigar processos de acreção e formação de jactos, mas também para testar a própria relatividade geral.
“By showing that a black hole can drag spacetime and create this frame-dragging effect, we are also beginning to understand the mechanics of the process,” diz Inserra.
“So, in the same way a charged object creates a magnetic field when it rotates, we're seeing how a massive spinning object – in this case a black hole – generates a gravitomagnetic field that influences the motion of stars and other cosmic objects nearby.”
A investigação foi publicada na revista Avanços da Ciência.
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