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ago 09

ESO: pistas de efeitos relativísticos em estrelas que orbitam o buraco negro supermassivo situado no centro da Galáxia

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Esta impressão artística mostra as órbitas de 3 das estrelas que se encontram muito próximas do buraco negro supermassivo situado no centro da Via Láctea. A análise de dados obtidos com o VLT do ESO e outros telescópios sugere que as órbitas destas estrelas mostram os efeitos sutis previstos pela teoria da relatividade geral de Einstein. A órbita da estrela S2 parece desviar-se ligeiramente do percurso calculado pela física clássica. A posição do buraco negro está assinalada com um círculo branco em um halo azul. Créditos: ESO/M. Parsa/L. Calçada

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 sutis 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 equipe de astrônomos 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 equipe 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.

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Esta imagem artística mostra parte da órbita de uma das estrelas situadas muito próximo do buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea. A análise de dados obtidos com o VLT do ESO e outros telescópios sugere que as órbitas destas estrelas mostram os efeitos sutis previstos pela teoria da relatividade geral de Einstein. A órbita desta estrela, a S2, parece desviar-se ligeiramente do percurso calculado pela física clássica. Esta imagem de grande plano da órbita da estrela S2 mostra como o percurso da estrela é ligeiramente diferente na segunda passagem, 15 anos depois, devido ao efeito da relatividade geral. Crédito: ESO/M. Parsa/L. Calçada

Os pesquisadores 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 relativísticos é de apenas alguns porcento na forma da órbita e de cerca de 1/6 de grau na orientação da órbita [3]. Se confirmada, 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 Colônia, na Alemanha, e autora principal do artigo científico que descreve estes resultados, está muito satisfeita:

O Centro Galáctico é de fato o melhor laboratório para estudar o movimento de estrelas num ambiente relativístico. 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 operando 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 S2 se encontrava mais afastada do buraco negro. Estes últimos dados permitiram determinar exatamente a forma da órbita.

Andreas Eckart, líder da equipe da Universidade de Colônia, alegou:

Durante a nossa análise compreendemos que para determinar os efeitos relativísticos para S2, é necessário conhecer a sua órbita completa com uma precisão muito elevada.

Para além de informação mais precisa sobre a órbita de S2, a nova análise também fornece 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 astrônomos 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 Interferômetro 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 já se encontra fazendo medições de alta precisão do Centro Galáctico, revele não só os efeitos da relatividade geral muito claramente, mas também permita aos astrônomos procurar desvios à relatividade geral que possam revelar uma nova física.

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As regiões centrais da nossa Galáxia, a Via Láctea, observadas pelo instrumento NACO, que opera no infravermelho próximo e está montado no VLT do ESO. A posição do centro, que contém o buraco negro (invisível) conhecido por Sgr A*, com uma massa de 4 milhões de vezes a massa do Sol, está assinalada com uma cruz laranja. A estrela S2 fará uma aproximação ao buraco negro em 2018 e nessa altura será usada como uma sonda única da forte gravidade para testar a teoria da relatividade geral de Einstein. Créditos: ESO/MPE/S. Gillessen et al.

Este trabalho foi descrito no artigo científico intitulado “Investigating the Relativistic Motion of the Stars Near the Black Hole in the Galactic Center”, de M. Parsa et al., publicado em The Astrophysical Journal.

Notas

[1] Neste estudo foram utilizados dados da câmera NACO, que opera no infravermelho próximo e está montada no Telescópio Principal 1 do VLT (Antu), e do SINFONI, o espectrômetro 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] 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 sido 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 a publicação por Einstein da 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 equipe 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 Colônia faz parte da equipe GRAVITY (http://www.mpe.mpg.de/ir/gravity), tendo contribuído para o sistema com os espectrômetros 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.

Fonte

ESO: ann17051 — Hint of Relativity Effects in Stars Orbiting Supermassive Black Hole at Centre of Galaxy

._._.

eso1725a – Investigating the Relativistic Motion of the Stars Near the Black Hole in the Galactic Center

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