Agora temos matemática precisa para descrever como buracos negros refletem nosso universo

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Agora temos matemática precisa para descrever como
buracos negros refletem nosso universo
Impressão artística de fótons virando em torno de um buraco negro. (Nicolle R. (em inglês) Fuller / NSF
(em inglês)
Os astrônomos desenvolveram um conjunto de equações que podem descrever com precisão as
reflexões do Universo que aparecem na luz distorcia em torno de um buraco negro.
A proximidade de cada reflexão depende do ângulo de observação em relação ao buraco negro e da
taxa de rotação do buraco negro, de acordo com uma solução matemática elaborada pelo estudante de
física Albert Sneppen, do Instituto Niels Bohr, na Dinamarca, em julho de 2021.
Isso foi muito legal, absolutamente, mas não foi muito legal. Também potencialmente nos deu uma nova
ferramenta para sondar o ambiente gravitacional em torno desses objetos extremos.
“Há algo fantasticamente bonito em entender por que as imagens se repetem de uma maneira tão
elegante”, disse Sneppen em um comunicado de 2021.
“Além disso, oferece novas oportunidades para testar nossa compreensão da gravidade e dos buracos
negros.”
Se há uma coisa pela qual os buracos negros são famosos, é a sua gravidade extrema. Especificamente
que além de um certo raio, a velocidade alcançável mais rápida no Universo, a da luz no vácuo, é
insuficiente para atingir a velocidade de escape.
Esse ponto sem retorno é o horizonte de eventos – definido pelo que é chamado de raio de
Schwarszchild – e é a razão pela qual dizemos que nem mesmo a luz pode escapar da gravidade de um
buraco negro.
Apenas fora do horizonte de eventos do buraco negro, no entanto, o ambiente também é seriamente
maluco. O campo gravitacional é tão poderoso que a curvatura do espaço-tempo é quase circular.
https://www.almaobservatory.org/en/press-releases/astronomers-capture-first-image-of-a-black-hole/attachment/20190410l/
https://www.sciencealert.com/black-holes
https://nbi.ku.dk/english/news/news21/danish-student-solves-how-the-universe-is-reflected-near-black-holes/
https://www.sciencealert.com/black-holes
https://en.wikipedia.org/wiki/Schwarzschild_radius
https://www.sciencealert.com/new-nasa-visualization-shows-the-wild-warping-around-binary-black-holes
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Qualquer fótons que entrem neste espaço terá, naturalmente, de seguir essa curvatura. Isso significa
que, da nossa perspectiva, o caminho da luz parece estar deformado e dobrado.
Na borda muito interna deste espaço, logo fora do horizonte de eventos, podemos ver o que é chamado
de anel de fótons, onde os fótons viajam em órbita ao redor do buraco negro várias vezes antes de cair
em direção ao buraco negro ou escapar para o espaço.
Isso significa que a luz de objetos distantes atrás do buraco negro pode ser ampliada, distorcida e
"refletida" várias vezes. Referimo-nos a isso como uma lente gravitacional; o efeito também pode ser
visto em outros contextos e é uma ferramenta útil para estudar o Universo.
Então, sabemos sobre o efeito há algum tempo, e os cientistas descobriram que quanto mais perto você
olha para o buraco negro, mais reflexos você vê de objetos distantes.
Para ir de uma imagem para a próxima imagem, você precisava olhar cerca de 500 vezes mais perto da
borda óptica do buraco negro, ou a função exponencial de dois pi (e 2o), mas por que esse era o caso
era difícil de descrever matematicamente.
A abordagem do Sneppen foi reformular a trajetória da luz e quantificar sua estabilidade linear, usando
equações diferenciais de segunda ordem. Ele descobriu que sua solução não apenas descreveu
matematicamente por que as imagens se repetem a distâncias de e 2o, mas que poderia funcionar para
um buraco negro rotativo – e essa distância de repetição depende da rotação.
“Acontece que, quando gira muito rápido, você não precisa mais se aproximar do buraco negro por um
fator de 500, mas significativamente menos”, disse Sneppen. Na verdade, cada imagem é agora apenas
50, ou cinco, ou mesmo até apenas duas vezes mais perto da borda do buraco negro.
Na prática, isso vai ser difícil de observar, pelo menos em breve – basta olhar para a intensa quantidade
de trabalho que entrou na imagem não resolvida do anel de luz em torno do buraco negro supermassivo
P-wehi (M87 ).
Teoricamente, no entanto, deve haver infinitos anéis de luz em torno de um buraco negro. Uma vez que
temos imagem da sombra de um buraco negro supermassivo uma vez, esperançosamente é apenas
uma questão de tempo antes de sermos capazes de obter melhores imagens, e já existem planos para
imaginar um anel de fóton.
Um dia, as imagens infinitas perto de um buraco negro poderiam ser uma ferramenta para estudar não
apenas a física do espaço-tempo do buraco negro, mas os objetos atrás deles – repetidos em reflexões
infinitas na perpetuidade orbital.
A pesquisa foi publicada na Scientific Reports.
Uma versão anterior do artigo foi publicada pela primeira vez em julho de 2021.
https://www.sciencealert.com/warped-starlight-could-be-the-signpost-that-points-to-dark-matter-in-the-milky-way
https://www.mathsisfun.com/calculus/differential-equations-second-order.html
https://nbi.ku.dk/english/news/news21/danish-student-solves-how-the-universe-is-reflected-near-black-holes/
https://www.sciencealert.com/the-many-colors-of-the-universe-s-most-photogenic-black-hole
https://www.sciencealert.com/the-many-colors-of-the-universe-s-most-photogenic-black-hole
https://www.sciencealert.com/sending-telescopes-to-space-could-reveal-the-infinite-rings-around-a-black-hole
https://www.nature.com/articles/s41598-021-93595-w