Os buracos negros são frequentemente mal compreendidos, sendo vistos apenas como isso: vazios escuros e misteriosos que, de alguma forma, se assemelham à toca do coelho alucinante de Alice no País das Maravilhas. 

Mas, em vez de um túnel de nada, um buraco negro é na verdade algo — e muito. Os objetos mais densos do universo, os buracos negros exercem uma força gravitacional tremenda, acumulando matéria no tecido do espaço-tempo ao seu redor e gerando enormes discos de matéria que giram em direção ao buraco negro antes de caírem em seu interior, ultrapassando o ponto sem retorno. 

Nos últimos anos, à medida que os astrônomos conseguiram apontar mais telescópios para o céu, por períodos de tempo mais longos, eles capturaram uma gama surpreendente de comportamentos dos buracos negros.

“Antes, não tínhamos olhos nos sistemas o tempo todo”, diz Erin Kara, professora associada de física do MIT. “Agora, estamos vendo que eles podem ligar e desligar em taxas muito mais rápidas do que jamais imaginamos. Observamos que a matéria está sendo sugada em direção aos buracos negros mais rapidamente do que pensávamos, talvez devido a estrelas girando em alta velocidade e ficando presas no disco de acreção de um buraco negro.”

Kara e seu grupo no Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT estão na vanguarda da física dos buracos negros. Ela utiliza dados de telescópios espaciais e terrestres para estudar as propriedades dos buracos negros, especialmente os supermassivos — os gigantes ultradensos nos centros das galáxias. Os buracos negros supermassivos são os motores da formação de galáxias. Kara, que recentemente conquistou a titularidade no MIT, busca conectar a física extrema dos buracos negros com a formação de galáxias como a nossa Via Láctea.

“É incrível que nós, como humanos, possamos saber algo sobre o que está acontecendo a bilhões de anos-luz de distância”, diz Kara. “Há muitos novos enigmas em aberto sobre buracos negros supermassivos que me deixam entusiasmada.” 

Kara nasceu e cresceu em Bethlehem, Pensilvânia, sendo a caçula de quatro irmãos. Sua mãe era enfermeira e seu pai, médico, então foi natural para Kara seguir os passos deles. Ela ingressou no programa de pré-medicina no Barnard College da Universidade Columbia. Como parte do programa, naquele primeiro ano, ela cursou uma disciplina introdutória de física e foi imediatamente atraída pelas descrições concretas e fundamentais do mundo físico, desde a escala quântica até a cósmica. 

“A física sempre foi a matéria que explicava as coisas de forma mais simples”, lembra Kara. “E eu pensei: nossa, que legal. Preciso continuar estudando isso.”

Na aula, ela fazia perguntas constantemente e queria saber mais. Sua professora, a astrônoma Reshmi Mukherjee, percebeu isso e convidou Kara para se juntar ao seu grupo de pesquisa como estagiária de verão. A equipe trabalharia com novos dados de um telescópio que estava sendo preparado para lançamento. Naquele verão, em junho de 2008, a NASA lançou o Telescópio Espacial Fermi de Raios Gama em órbita baixa da Terra, com o objetivo de mapear o céu em busca de fontes de raios gama — radiação de alta energia produzida por buracos negros, estrelas de nêutrons e outros objetos astrofísicos extremos. 

Quando o telescópio começou a enviar dados, Mukherjee designou Kara para um projeto: caracterizar dois sinais de raios gama não identificados. Ambos os sinais eram brilhantes, e a questão era se eles vinham de perto, dentro da Via Láctea, ou de muito mais longe. Se fosse o último caso, significaria que as fontes eram possivelmente quasares — um tipo de buraco negro supermassivo extremamente ativo que, na época, era uma raridade nas observações astronômicas. 

Kara começou a trabalhar nos dados e logo confirmou que ambas as fontes eram de fato quasares. 

“Foi uma pequena descoberta, mas a sensação foi incrível”, diz Kara. “E eu adoro isso na astronomia, o fato de haver tantas perguntas sem resposta, e mesmo no início da carreira, você pode causar impacto.”

Nem é preciso dizer que Kara se apaixonou por astronomia e logo optou por trocar a pré-medicina pela física, embora o novo caminho nem sempre tenha sido fácil. No campus exclusivamente feminino de Barnard, as turmas introdutórias de física eram pequenas, e os professores eram encorajadores e acessíveis. Em contraste, os cursos de nível superior eram ministrados em Columbia, onde Kara fazia parte de uma turma mista muito maior. 

“É uma experiência muito singular estar em um ambiente de física com todas as mulheres e ver como meus sentimentos sobre minhas próprias habilidades mudaram, simplesmente por causa desse ambiente”, reflete Kara. “Fui para Columbia e, de repente, senti que não conseguiria. Todos aqueles rapazes eram muito mais confiantes e compreendiam a matéria com mais facilidade. No fim, me saí bem lá também. E essa justaposição me ajudou a ganhar confiança e a saber: ‘Sim, eu pertenço a este lugar’”.

Após se formar em física com especialização em história da arte, Kara foi estudar no exterior, no Instituto de Astronomia da Universidade de Cambridge. Ela ganhou uma bolsa de estudos para cursar um mestrado em física com duração de um ano, mas acabou ficando para concluir um doutorado sobre um tema que estava apenas começando a ganhar destaque: a reverberação de raios X em buracos negros. 

Em 2009, seu orientador de tese, Andy Fabian, e sua equipe estavam analisando dados de arquivo de um telescópio de raios X e notaram curiosos atrasos temporais em sinais provenientes da região ao redor de um buraco negro. Eles interpretaram os sinais como ecos de raios X, ou reverberações. Essa foi a primeira evidência de ecos de raios X ao redor de um buraco negro e ajudou a resolver um debate na área sobre a origem da radiação. 

Seu orientador determinou que a reverberação era resultado de raios X gerados pela coroa do buraco negro — uma aura em forma de coroa de radiação de alta energia que circunda imediatamente o buraco negro — que então ricocheteavam, ou reverberavam, no disco giratório de gás e poeira que orbita um buraco negro, conhecido como disco de acreção. 

Desde aquela exploração inicial, Kara tem trabalhado para avançar no estudo da reverberação de raios X como uma técnica para mapear regiões ao redor de buracos negros e outros objetos astrofísicos extremos. 

Após obter seu doutorado em física, Kara retornou aos EUA para realizar um pós-doutorado na Universidade de Maryland e no Centro de Voos Espaciais Goddard da NASA. Ela pretendia trabalhar com dados de um novo satélite, o Hitomi — uma missão japonesa que detectaria raios X distantes para ajudar os cientistas a mapear a estrutura e a evolução em larga escala do universo. Após 40 dias, os cientistas perderam o controle do satélite, que acabou girando descontroladamente e se desintegrando em órbita. Antes de falhar, o telescópio enviou um sinal nítido.

"Conseguimos uma observação realmente boa, que era diferente de qualquer espectro que já tínhamos visto antes", lembra Kara. 

Os dados confirmaram que o detector do satélite — um microcalorímetro desenvolvido pela NASA — estava em perfeitas condições. Essa tecnologia agora é fundamental para o sucessor do Hitomi, a Missão de Imagem e Espectroscopia de Raios X (XRISM), que vem coletando dados com sucesso desde seu lançamento em 2023. Atualmente, Kara lidera um grupo científico na missão XRISM para analisar sinais de raios X provenientes de buracos negros supermassivos. 

Naquela época, porém, com o fim do projeto Hitomi, ela teve que mudar de rumo. Começou a trabalhar com um novo grupo na NASA Goddard que estava se preparando para o lançamento de outro telescópio — o Neutron Star Interior Composition Explorer, ou NICER. Em 2017, o telescópio, desenvolvido e construído por pesquisadores do MIT, foi lançado e acoplado à Estação Espacial Internacional, onde mediu o tempo de chegada dos raios X provenientes de fontes astrofísicas no espaço profundo. 

O grupo ao qual Kara se juntou analisava dados do NICER em busca de sinais de eventos de ruptura de maré, que são casos em que um buraco negro despedaça uma estrela próxima. Este foi um dos seus primeiros trabalhos sobre essas fontes dinâmicas, e desde então ela incorporou os eventos de ruptura de maré — e os dados do NICER — como uma de suas principais áreas de pesquisa. 

Em 2019, Kara aceitou um cargo de professora assistente no Departamento de Física do MIT — uma decisão que, para ela, foi óbvia. 

“A astronomia de raios X tem sua história no MIT”, diz Kara. “Bruno Rossi, Hale Bradt, George Clark, Claude Cañizares — tudo começou aqui. Sempre foi um lugar que parecia um centro de referência. E esse era o atrativo.”

Hoje, ela e seus alunos analisam regularmente dados de diversos satélites e telescópios, como o XRISM e o NICER, para melhor compreender os buracos negros e como eles crescem, evoluem e afetam as galáxias ao seu redor. Ela continua a desenvolver o mapeamento de reverberação de raios X, que tem ajudado os cientistas a mapear as regiões extremas imediatamente ao redor de um buraco negro. Seu grupo também estuda sinais de outras fontes extremas de raios X, incluindo eventos de ruptura de maré, erupções quase periódicas e explosões de buracos negros galácticos. 

Kara também planeja explorar dados de futuros observatórios, incluindo o Satélite Astronômico de Transição Ultravioleta (ULTRASAT), que fará varreduras contínuas em todo o céu em busca de fontes ultravioleta quentes; e a Antena Espacial de Interferômetro a Laser (LISA), um telescópio espacial que detectará ondas gravitacionais de baixa frequência provenientes de fontes como pares de buracos negros assimétricos, do tipo Davi e Golias. 

E ela também encontrou tempo para se divertir um pouco com buracos negros: em 2022, Kara colaborou com educadores e antropólogos musicais do MIT para converter os ecos de raios X de um buraco negro em som audível. Como musicista — ela canta e toca violino —, estava curiosa para saber como a energia cósmica de um buraco negro poderia "soar". O  efeito foi, no mínimo, de outro mundo. 

“Um dos motivos pelos quais eu adoro buracos negros é que eles são muito extremos, parecem saídos de um filme de ficção científica, e as coisas não fazem sentido, as leis da física simplesmente param de funcionar ao seu redor. Ao mesmo tempo, eles são fundamentais para a nossa própria existência”, diz Kara. “Por razões que ainda não compreendemos completamente, a distribuição de estrelas, gás e poeira em uma galáxia é ditada, em parte, pelo buraco negro supermassivo em seu centro. Nosso Sol é uma dessas estrelas. Tudo está interligado. E desvendar parte disso é o que me motiva.”