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O Anel de M87, a Imagem Montada com Discos de Avião

Em abril de 2019, oito radiotelescópios mostraram a sombra de um buraco negro, e os dados chegaram de carga aérea

Primeira imagem do buraco negro de M87: anel laranja em volta de uma sombra escura

Buraco negro de M87, Event Horizon Telescope, 2019

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No cume do Mauna Kea, no Havaí, a 4.200 metros de altitude, o ar tem cerca de 60% do oxigênio do nível do mar. Em abril de 2017, técnicos subiram a montanha de carro, devagar, para aclimatar, e passaram as noites trocando discos rígidos dentro de duas cúpulas, a do telescópio James Clerk Maxwell e a do Submillimeter Array.

Cada disco era selado e cheio de hélio, um gás mais leve que o ar, para girar com menos atrito e esquentar menos. Os racks gravavam a 16 gigabits por segundo. Numa noite boa, uma única estação enchia centenas de terabytes.

Ao mesmo tempo, do outro lado do planeta, equipes faziam o mesmo no deserto do Atacama, no Chile, a 5.000 metros. Outras trabalhavam no vulcão Sierra Negra, no México, no monte Graham, no Arizona, e na serra Nevada, na Espanha.

A mais isolada ficava na base Amundsen-Scott, no Polo Sul. Ali, em abril, o Sol já tinha se posto e só voltaria em setembro. Nenhum avião pousa na base durante o inverno austral: o frio passa de 60 graus negativos e o combustível dos motores congela.

A janela de observação durou de 5 a 11 de abril. Em cinco dessas noites, o tempo ficou bom nos seis lugares ao mesmo tempo, e as oito antenas apontaram para o mesmo ponto do céu, no centro da galáxia Messier 87, na constelação de Virgem.

Quando a campanha terminou, havia cerca de 5 petabytes gravados, perto de mil discos. Pela internet da época, mandar tudo de uma vez levaria anos. A solução foi a mais velha do correio: encaixotar os discos e despachar de avião para dois prédios, um em Massachusetts e outro em Bonn, na Alemanha.

Os discos do Polo Sul ficaram na base até o fim de outubro, quando o primeiro voo da primavera conseguiu pousar. Chegaram aos Estados Unidos em dezembro de 2017. Sem eles, a imagem não fechava.

A seção I mostra o que saiu desses discos, dois anos depois, numa manhã de abril de 2019, e o que cada parte do anel registra.

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I  A Foto Histórica do Dia

Um anel do tamanho do Sistema Solar

A foto do topo foi divulgada em 10 de abril de 2019, em seis entrevistas coletivas simultâneas, em Washington, Bruxelas, Santiago, Xangai, Taipé e Tóquio. É a primeira imagem direta da vizinhança de um buraco negro, feita pela colaboração Event Horizon Telescope (Telescópio do Horizonte de Eventos), com mais de 200 pesquisadores.

O anel e a sombra

O que aparece é um anel alaranjado em volta de um centro escuro. O laranja é falso: a luz captada foi rádio, em ondas de 1,3 milímetro, que o olho não vê. A equipe escolheu a cor para mostrar a intensidade.

O anel é gás aquecido a bilhões de graus, girando quase na velocidade da luz em volta do buraco negro. O centro escuro é a sombra, a região de onde a luz não escapa, cercada pelo horizonte de eventos (a fronteira além da qual nada volta).

O buraco negro de M87 tem cerca de 6,5 bilhões de vezes a massa do Sol e está a 55 milhões de anos-luz da Terra. O anel inteiro caberia folgado em volta da órbita de Plutão.

O lado mais claro

A metade de baixo do anel brilha mais que a de cima. A explicação vem da física do movimento: o gás que gira na direção da Terra parece mais brilhante, e o que se afasta parece mais apagado.

O efeito confirmou o sentido da rotação. Visto daqui, o material gira no sentido horário.

O tamanho previsto

Em 1915, Albert Einstein publicou a relatividade geral, a teoria segundo a qual a massa curva o espaço e desvia a luz. Pelas contas dela, a sombra de M87 deveria medir cerca de 40 microssegundos de arco no céu.

A imagem mostrou 42. Um microssegundo de arco é tão pequeno que a comparação usada pela equipe foi ler, de Paris, um jornal aberto em Nova York.

A sombra medida em 2019 bateu com a conta de Einstein de 1915, com erro de poucos por cento.

A imagem tem pouca nitidez porque está no limite do que a Terra inteira consegue enxergar. Não existe antena maior que o planeta, e a resolução depende do tamanho da antena.

A cópia digital está no Wikimedia Commons, publicada pela colaboração sob licença livre.

 
 

II  O Que Ela Mudou de Verdade

Uma antena do tamanho da Terra

O truque se chama interferometria de linha de base muito longa, ou VLBI na sigla em inglês. Antenas distantes observam o mesmo alvo ao mesmo tempo, e um computador combina os sinais como se viessem de uma antena única, do tamanho da distância entre elas.

O relógio em cada estação

Para a combinação funcionar, cada gravação precisa de um carimbo de tempo exato. Cada estação tinha um maser de hidrogênio (relógio atômico que atrasa cerca de um segundo a cada 100 milhões de anos) marcando os dados.

O caminho dos dados

Do telescópio à imagem, a sequência foi esta:

1. Cada antena gravava o sinal de rádio cru, com o carimbo do relógio atômico, nos discos de hélio.

2. Os discos viajavam de avião para o Observatório Haystack, do MIT, em Massachusetts, e para o Instituto Max Planck de Radioastronomia, em Bonn.

3. Nos dois prédios, supercomputadores chamados correlacionadores alinharam os sinais, par de antenas por par de antenas.

4. Quatro equipes separadas, sem trocar resultados, montaram a imagem com métodos diferentes.

5. Só depois de semanas compararam as quatro versões. As quatro mostravam o mesmo anel.

Por que não pela internet

A conta era de transporte. Cinco petabytes são 5 milhões de gigabytes. Uma conexão de universidade da época levaria anos para mandar tudo, e o Polo Sul tinha banda de satélite só para e-mail e dados de manutenção.

Um avião cargueiro com caixas de discos fazia o percurso em dias. A frase dos engenheiros de rede para esse caso é antiga e vale até hoje:

“Nunca subestime a banda de uma caminhonete cheia de fitas correndo pela estrada.”

Andrew Tanenbaum escreveu a frase no livro Computer Networks, de 1981, e a equipe do EHT a repetiu em palestras como resumo do método.

A espera pelo Polo Sul

O telescópio do Polo Sul era peça-chave. Ficava muito longe das outras antenas, e essa distância dava a resolução mais fina da rede, no eixo norte e sul.

Os discos ficaram guardados na base, no escuro, por quase sete meses. Quando o primeiro avião pousou, no fim de outubro de 2017, a carga seguiu para a Nova Zelândia e depois para Massachusetts.

Sem os discos do Polo Sul, a antena virtual do tamanho da Terra perdia uma ponta inteira.

O correlacionamento terminou em 2018. Daí em diante, o trabalho foi de calibração, contas e conferência, até as seis coletivas de abril de 2019.

No mesmo dia, saíram seis artigos na revista The Astrophysical Journal Letters, um para cada etapa: antenas, gravação, correlação, calibração, imagem e interpretação física do anel.

 

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III  Depois da Foto

O anel volta a aparecer

No dia da divulgação, o diretor do projeto, o astrônomo Sheperd Doeleman, do Centro de Astrofísica Harvard e Smithsonian, abriu a coletiva de Washington com uma frase curta:

“Vimos o que pensávamos ser impossível de ver.”

Um nome do Havaí

Dias depois, o professor de língua havaiana Larry Kimura, da Universidade do Havaí, propôs um nome para o buraco negro: Pōwehi, a criação escura adornada, expressão tirada do Kumulipo, canto havaiano sobre a origem do mundo. O nome homenageava os dois telescópios do Mauna Kea.

A luz em espiral

Em março de 2021, a equipe publicou o mesmo anel com a polarização da luz, que mostra a direção em que as ondas vibram. As linhas formavam uma espiral em volta da sombra.

Essa espiral desenha o campo magnético perto do horizonte. É ele que ajuda a lançar o jato de gás que sai do centro de M87 e se estende por cerca de 5.000 anos-luz.

O buraco negro de casa

Em 12 de maio de 2022, a mesma rede divulgou a imagem de Sagitário A*, o buraco negro no centro da Via Láctea. Ele tem cerca de 4 milhões de massas solares, mil vezes menos que M87, e fica a 27 mil anos-luz.

O anel de Sagitário A* parecia quase igual ao de M87, apesar da diferença de tamanho. A semelhança era a previsão da relatividade: a forma da sombra depende da massa e do giro, não da galáxia em volta.

Um ano depois, o mesmo anel

Em janeiro de 2024, a colaboração publicou a imagem de M87 feita com dados de abril de 2018, já com uma antena a mais, na Groenlândia. O anel tinha o mesmo diâmetro.

O ponto mais brilhante tinha girado cerca de 30 graus no sentido anti-horário. O gás muda de lugar; a sombra fica. Foi a prova de que a imagem de 2019 não era um acaso da noite de 2017.

O tamanho da sombra se repetiu de um ano para o outro, como a conta previa para um buraco negro de massa fixa.

Os discos continuam viajando. A rede ganhou antenas e mais banda, mas os petabytes de cada campanha ainda saem de caixa, por carga aérea, para os correlacionadores.

No Polo Sul, a regra também não mudou. Os discos de cada abril esperam o fim do inverno austral, guardados no escuro, até o primeiro avião da primavera pousar na neve.

 
 
Quiz da edição

No Polo Sul, por quanto tempo os discos com os dados de M87 ficaram guardados na base, no escuro, até o primeiro avião da primavera conseguir pousar?

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CQuase sete meses
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