Resumo:
Escondido no centro da Via Láctea está um buraco negro supermassivo com uma massa de cerca de 4 milhões de vezes a do Sol - Sagitário A*. Embora esteja a cerca de 26.000 anos-luz de distância da Terra e a sua atividade geral atual seja relativamente calma, pode ter uma forma surpreendente de libertar energia: ao sacrificar a sua própria energia rotacional, acelera as partículas circundantes para energias extremamente elevadas e fornece energia para alguns raios cósmicos na Via Láctea.
Em 17 de outubro de 2026, o SciTechDaily relatou um estudo teórico mais recente sobre esse mecanismo. Os investigadores propõem que Sagitário A* pode transferir a energia rotacional do buraco negro para os protões através de um mecanismo chamado “Processo Magnético de Penrose”, permitindo que estas partículas atinjam níveis de energia de vários petaelétron-volts (PeV). Os resultados da investigação apoiam ainda mais a hipótese de que Sagitário A* pode ser um acelerador natural de partículas de energia ultra-alta na Via Láctea.
O estudo foi lançado como uma pré-impressão em 2 de setembro de 2026, intitulado "Sagitário A* como acelerador de partículas voltaicas de elétrons galácticos: características multimensageiras do processo magnético de Penrose". Por meio de modelagem teórica, a equipe de pesquisa analisou como as partículas próximas ao buraco negro adquirem energia extremamente alta e quais sinais esse processo pode deixar para trás que podem ser identificados por observações astronômicas. Actualmente, esta ainda é uma explicação teórica que precisa de ser testada através da observação, e não significa que os cientistas tenham confirmado que o buraco negro no centro da Via Láctea esteja a acelerar os raios cósmicos desta forma.
Os raios cósmicos são partículas de alta energia que viajam pelo espaço em velocidades extremamente altas, incluindo prótons, núcleos atômicos e um pequeno número de elétrons. A sua gama de energia é extremamente ampla e alguns raios cósmicos transportam energias muito além do que os humanos podem alcançar com os aceleradores de partículas existentes. Os cientistas há muito que tentam descobrir de onde vêm estas partículas e que mecanismo a natureza utiliza para acelerá-las a energias tão surpreendentes.
Na Terra, os humanos usam grandes aceleradores de partículas para aumentar gradualmente a energia das partículas carregadas através de campos elétricos. Mas no Universo, os remanescentes de supernovas, os ventos pulsares e os ambientes extremos em torno dos buracos negros podem tornar-se aceleradores naturais de partículas. O centro da Via Láctea é particularmente preocupante porque contém buracos negros supermassivos, grandes quantidades de gás, campos magnéticos fortes e um ambiente complexo de radiação de alta energia.
Os pesquisadores estimam que os prótons próximos a Sagitário A* podem ser acelerados a energias de vários peta elétron-volts. Um peta elétron-volt equivale a 1.000 trilhões de elétron-volts, ou 10¹⁵ elétron-volts. Este nível de energia excede em muito a energia de um único próton alcançado pelas colisões de prótons no Grande Colisor de Hádrons. Portanto, se o mecanismo relevante realmente existir, Sagitário A* pode tornar-se uma das importantes fontes de partículas de alta energia na Via Láctea.
Este tipo de corpo celeste que pode acelerar prótons até o nível de energia de elétron-volts é chamado de "PeVatron", que é um acelerador de partículas de nível de elétron-volts. Os astrónomos observaram raios gama de alta energia no centro da Via Láctea, mas ainda é controverso se estas radiações provêm da aceleração de partículas perto do buraco negro ou da interacção de outros corpos celestes com raios cósmicos de maior escala.
Normalmente, a radiação brilhante em torno de um buraco negro vem principalmente de material que caiu no buraco negro antes de ele cair. O gás se reúne, comprime e aquece sob a atração gravitacional do buraco negro, formando um fluxo de acreção de alta temperatura ou disco de acreção, e o material libera uma grande quantidade de energia antes de finalmente cruzar o horizonte de eventos.
Mas os próprios buracos negros não engolem apenas energia. Para buracos negros em rotação, a energia transportada pela sua rotação também pode ser extraída sob certas condições. É nesse mecanismo que utiliza diretamente a energia rotacional dos buracos negros que os pesquisadores estão se concentrando desta vez.
Esta teoria remonta ao processo de Penrose proposto pelo físico Roger Penrose em 1969. De acordo com a relatividade geral, existe uma região chamada "ergosfera" em torno de um buraco negro em rotação. Aqui, a rotação do buraco negro arrasta o espaço-tempo circundante com tanta força que os objetos não podem permanecer estacionários em relação a um observador distante, mas devem mover-se na direção da rotação do buraco negro.
Sob certas condições, se as partículas entrarem na camada de energia e passarem por processos de divisão apropriados, algumas delas podem cair no buraco negro carregando energia negativa definida em relação ao infinito, enquanto a outra parte pode escapar com mais energia do que as partículas originais. A energia extra adquirida pelas partículas que escapam vem da energia rotacional do próprio buraco negro.
Pense nisso como extrair energia mecânica de uma máquina em rotação rápida: as partículas que escapam ganham energia adicional, enquanto a energia rotacional do buraco negro é reduzida em conformidade. O “consumir a própria energia” mencionado aqui não significa que o buraco negro queima como combustível, mas que sua energia rotacional é transferida para partículas externas.
Os pesquisadores consideraram ainda o papel dos campos magnéticos neste processo. O processo magnético de Penrose usa o campo magnético ao redor do buraco negro para alterar o movimento e a distribuição de energia das partículas carregadas, de modo que a energia rotacional do buraco negro possa ser transferida de forma mais eficaz para partículas carregadas, como os prótons.
No modelo proposto neste estudo, o elo principal começa com as reações nucleares no gás quente que rodeia o buraco negro. Algumas reações nucleares podem produzir nêutrons. Depois que esses nêutrons entram na camada de energia de um buraco negro, eles podem sofrer decaimento radioativo, produzindo prótons, elétrons e antineutrinos.
Os próprios nêutrons não têm carga e, portanto, não são diretamente afetados pela força de Lorentz de um campo magnético como os prótons. Mas os prótons produzidos após o decaimento dos nêutrons têm carga elétrica e podem interagir com o campo magnético circundante. Os investigadores acreditam que, sob as condições certas, estes protões poderiam ganhar energia a partir da rotação do buraco negro e subsequentemente escapar para um espaço interestelar mais amplo.
Este mecanismo não exige que o buraco negro seja extremamente ativo. A atual atividade de acreção de Sagitário A* é relativamente fraca, mas ainda tem uma massa enorme e uma energia rotacional potencialmente considerável. Desde que o ambiente circundante tenha o campo magnético, as condições de geração de partículas e a geometria corretas, o processo de extração de energia é possível.
No entanto, se o modelo pode ser aplicado ao centro real da Via Láctea ainda depende de uma série de parâmetros que ainda não foram totalmente determinados, incluindo a força do campo magnético em torno do buraco negro, a taxa de produção de partículas, o estado de rotação do buraco negro e as diversas perdas sofridas pelas partículas de alta energia durante a sua fuga.
Se os prótons de alta energia escaparem da vizinhança de um buraco negro, eles poderão colidir com o gás denso no centro da Via Láctea à medida que se propagam para fora, produzindo raios gama e neutrinos de alta energia. Essas partículas secundárias fornecem aos cientistas uma forma importante de testar teorias.
Os raios gama são radiações eletromagnéticas de energia extremamente alta e sem carga, portanto, ao passarem pelo espaço interestelar, eles não são drasticamente redirecionados por campos magnéticos como as partículas carregadas nos raios cósmicos. A sua direcção de propagação ajuda frequentemente os astrónomos a rastrear a radiação até à sua fonte. Em contraste, os protões nos raios cósmicos são afectados por campos magnéticos interestelares e as suas trajectórias podem ser significativamente curvas, tornando difícil determinar onde inicialmente aceleraram directamente a partir da direcção em que chegam à Terra.
A equipe de pesquisa calculou o espectro de energia dos raios gama que poderia ser produzido pelo processo magnético de Penrose e comparou os resultados do modelo com as observações existentes. Os investigadores acreditam que a radiação produzida por este mecanismo pode contribuir para alguns dos sinais em observações de raios gama de alta energia, incluindo aqueles detectados pelo Sistema de Telescópio Estereoscópico de Alta Energia H.E.S.S. e o Observatório de Raios Gama Cherenkov de Água de Alta Altitude HAWC.
Se as características do espectro de energia previstas por diferentes modelos teóricos puderem ser medidas com mais precisão, os investigadores terão a oportunidade de determinar se o mecanismo de extração de energia por rotação do buraco negro está realmente em funcionamento no centro da Via Láctea.
Equipamentos de observação do futuro podem ser fundamentais para testar essa teoria. A equipe de pesquisa apontou que o planejado Observatório de Raios Gama de Campo Amplo do Hemisfério Sul (SWGO) deverá detectar os sinais relevantes previstos por seu modelo, e o Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) também pode testar alguns cenários teóricos.
O SWGO planeja usar um conjunto de detecção de grandes áreas para monitorar continuamente raios gama de alta energia, o que é especialmente adequado para observar áreas importantes do céu, como o centro da Via Láctea. Instrumentos de campo amplo podem monitorar mudanças na radiação de alta energia no céu por períodos mais longos do que telescópios que só podem ser apontados para um alvo específico por um tempo limitado, ajudando os pesquisadores a estudar os processos contínuos de aceleração de partículas.
No entanto, a descoberta de raios gama de alta energia por si só não é suficiente para provar a existência do processo magnético de Penrose. O ambiente no centro da Via Láctea é extremamente complexo, não apenas com buracos negros supermassivos, mas também com um grande número de estrelas, densas nuvens de gás, outras fontes potenciais de aceleração de partículas de alta energia e uma ampla gama de radiação difusa. Diferentes mecanismos podem produzir sinais observados semelhantes.
Portanto, os cientistas precisam combinar os raios gama com outros tipos de observações, especialmente sinais de neutrinos. Quando prótons de alta energia colidem com o gás, além de produzirem raios gama, também podem produzir neutrinos. Os neutrinos interagem de forma extremamente fraca com a matéria e podem escapar de ambientes celestes densos, fornecendo aos pesquisadores outra pista sobre os processos de aceleração de partículas.
Mas atualmente, as observações de neutrinos no centro da Via Láctea não forneceram resultados suficientes para determinar o mecanismo relevante. Em setembro de 2026, uma análise publicada pelo Observatório de Neutrinos IceCube em colaboração com o HAWC não encontrou nenhum sinal significativo de neutrinos no centro da Via Láctea e estabeleceu novos limites para a intensidade da radiação associada. Os investigadores salientaram que, no futuro, instalações de observação de neutrinos mais sensíveis, como IceCube-Gen2, KM3NeT e P-ONE, poderão ajudar os cientistas a determinar se os raios gama de alta energia no centro da Via Láctea provêm principalmente da interacção entre protões e gás.
Este contexto também mostra que, embora o mecanismo de extração de energia do buraco negro tenha uma base teórica clara, ainda são necessários dados mais ricos e precisos para ligá-lo às observações reais. Os pesquisadores devem descartar outras possíveis fontes de radiação de alta energia e verificar se as características espectrais previstas pela teoria realmente existem.
A importância deste estudo é que ele fornece uma explicação para a fonte de raios cósmicos de alta energia no centro da Via Láctea, que pode ser testada posteriormente. Tradicionalmente, os cientistas geralmente se concentram em como as explosões de supernovas, as ondas de choque e os campos magnéticos aceleram os raios cósmicos; enquanto o processo magnético de Penrose volta a sua atenção para a energia rotacional do próprio buraco negro, indicando que mesmo que o buraco negro esteja num estado relativamente calmo, pode transmitir energia a partículas externas através de mecanismos físicos especiais.
Se observações futuras confirmarem que este processo realmente ocorre, Sagitário A* não será apenas uma fonte gravitacional massiva no centro da Via Láctea, mas também poderá ser uma importante fonte de energia que afecta o ambiente de partículas de alta energia da Via Láctea. Isto também ajudará os cientistas a compreender melhor como os buracos negros supermassivos afectam o gás circundante, o ambiente de radiação e a evolução de toda a região central da galáxia através da libertação de energia.
Atualmente, o que os investigadores propuseram ainda é um modelo teórico, e não um processo de extração de energia de um buraco negro que foi diretamente confirmado. Os resultados de observações futuras do SWGO, CTAO e equipamentos de observação de neutrinos de nova geração ajudarão a determinar se essas previsões são consistentes com o desempenho do universo real. Para os humanos, o buraco negro no centro da Via Láctea ainda esconde muitos mistérios, e os raios cósmicos podem conter pistas importantes sobre como funciona a sua energia.
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