Buraco Negro

O que é um buraco negro?

Os buracos negros são alguns dos objetos mais estranhos e fascinantes encontrados no espaço exterior. Eles são objetos de extrema densidade, com tão forte atração gravitacional que nem a luz pode escapar de seu alcance

Alguma vez você já teve que aspirar o seu quarto?

Quando o fizer, observe atentamente, porque você vai ver a sujeira e as migalhas começam a se mover para dentro do aspirador de pó.

Um buraco negro é semelhante a um aspirador de pó, remove os destroços deixados para trás no espaço.

No entanto, não é o poder de sucção que faz coisas cai em um buraco negro. Sucção não seria forte o suficiente. Em vez disso, um buraco negro usa o poder da gravidade para puxar as coisas para ele.

Um buraco negro é um lugar no espaço onde a gravidade puxa tanto que nem a luz consegue escapar. A gravidade é tão forte já que a matéria foi espremido em um espaço minúsculo. Isso pode acontecer quando uma estrela está morrendo.

Porque nenhuma luz pode sair, as pessoas não podem ver os buracos negros

Albert Einstein primeira previu buracos negros em 1916 com a sua teoria da relatividade geral. O termo “buraco negro” foi cunhado em 1967 pelo astrônomo americano John Wheeler, eo primeiro foi descoberto em 1971.

Existem três tipos: buracos negros estelares, buracos negros supermassivos e buracos negros intermediários.

Buraco Negro – Estelares

Buraco Negro

Os Buracos Negros são objetos misteriosos, ainda pouco conhecidos, cuja existência não está definitivamente comprovada. Por isso, se quisermos ser rigorosos, deveríamos sempre denominá-los “candidatos” a buracos negros. Por serem regiões do espaço-tempo com um intenso campo gravítico, constituem um dos melhores exemplos da aplicabilidade e importância da Teoria da Relatividade Geral.

Apesar de misteriosos, os buracos negros são as entidades mais simples do nosso Universo.

Eles podem ser completamente caracterizados por apenas 3 parâmetros: carga, massa e momento angular.

Isso significa que os buracos negros no centro das galáxias e os buracos negros estelares possuem apenas uma diferença fundamental: a massa.

Os Buracos Negros Estelares podem surgir na fase final do ciclo de vida de estrelas de grande massa, com massas superiores a cerca de 8 vezes a massa do Sol (8 MSol). Essas estrelas têm um ciclo de vida curto (alguns milhões de anos), quando comparado com o de estrelas de pequena massa, como por exemplo a nossa estrela (o Sol já existe há pelo menos 4,5 mil milhões de anos e está na metade do seu ciclo de vida). A fase final da vida de uma estrela de grande massa é na forma de uma explosão de supernova. O que resta da estrela progenitora poderá ser, uma estrela de neutrões ou um buraco negro, dependendo da massa do corpo remanescente.

Conhecemos hoje mais de 2 dezenas de fortes candidatos a buracos negros estelares na nossa própria galáxia. A sua proximidade faz com que estes objetos sejam verdadeiros laboratórios de estudo.

Buraco Negro – Tamanho

Um buraco negro é uma quantidade imensa de massa concentrada num ponto de tamanho zero, que os físicos chamam de singularidade. É difícil imaginar massa sem tamanho, mas um buraco negro pode ser milhões de vezes mais massivo que o Sol.

A singularidade exerce força gravitacional sobre tudo à sua volta, assim como o Sol, mas com uma diferença. A partir de uma certa distância (denominada raio de Schwarzschild), nada é capaz de escapar de sua gravidade, por mais veloz que esteja. Nem mesmo a luz escapa de lá.

O que acontece nos arredores de um buraco negro

Buraco Negro

A esfera formada pelo raio de Schwarzschild é denominada horizonte de eventos, porque além dela não se enxerga nada. Quanto mais massivo é um buraco negro, maior é seu horizonte de eventos.

1- Buraco negro: Seria difícil ver um buraco negro quando cercado de matéria luminosa, mas cientistas sabem localizá-lo no centro da atividade gravitacional
2- Raios X: Nas partes internas do disco de acreção, a matéria está tão aquecida que emite raios X detectáveis em telescópios
3- Disco de acreção: A matéria que será engolida ruma em direção ao buraco negro em trajetórias espirais. O fenômeno é chamado de disco de acreção
4- Jatos de matéria: A alta rotação de alguns buracos negros, somada à intensa gravidade, cria o curioso fenômeno dos jatos de matéria próximos ao horizonte de eventos

Sistema binário

Alguns buracos têm uma estrela como companheira. Ambos orbitam um ao outro enquanto o buraco negro vai engolindo matéria, até toda a estrela sumir

Espaço retorcido

A Teoria da Relatividade Geral prevê que o campo gravitacional de um buraco negro gere curvaturas acentuadas no espaço tempo.

Nesta figura, aquilo que seria um espaço plano é representado por linhas curvas. O centro do buraco negro está na ponta do cone

Buraco Negro

Um foguete Delta II da Boeing, esquerda, foi lançado em Cabo Canaveral, na Flórida, no dia 23 de novembro de 2004, que pôs em órbita o satélite Swift da NASA. O satélite localizará a posição de explosões distantes (concepção artística à direita) que parecem sinalizar os nascimentos dos buracos negros.

O Swift tentará decifrar um mistério que já dura 35 anos sobre a origem das explosões de raios-gama, que os cientistas pensam serem os gritos do nascimento dos buracos negros. Essas explosões, únicas, acontecem muito rápido, durando somente milionésimos de segundos a alguns minutos. Elas ocorrem semanalmente diversas vezes em algum lugar no Universo, e o Swift, com um conjunto de três instrumentos (painéis), detectará esses “eventos” semanais.

Formação de um buraco negro

Astrônomos americanos registraram, pela primeira vez, em uma Galáxia distante um fenômeno do universo: o nascimento de um Buraco Negro.

Parece uma dança no espaço. Dois corpos celestes, com uma gigantesca força da gravidade, giram, um em torno da outro. Se atraem cada vez mais. A velocidade aumenta até que se juntam e explodem, como mostra a animação da Nasa.

Em menos de um segundo nasce um Buraco Negro, um dos maiores mistérios do Universo.

É uma região do espaço, que já foi descrita como um funil ou um redemoinho, com uma força de gravidade tão forte que suga tudo o que estiver por perto.

Os cientistas ainda não sabem dizer se a colisão foi de duas estrelas extremamente compactas, chamadas ‘Estrelas de Nêutron’, ou de dois buracos negros mais antigos.

O nascimento do Buraco Negro provocou uma explosão de raios Gama, que foram captados por um satélite americano. Se considerarmos as distâncias no espaço, pode-se dizer o Buraco Negro é um vizinho da terra, mas está muito distante para causar preocupação.

Segundo a Nasa, ele está a 2,7 bilhões de anos-luz da Terra, uma distância que representa o tempo que o final dessa explosão levou para ser percebido aqui.

Buraco Negro – Como se desenvolvem

Buraco Negro

O buraco negro tem este nome porque sua gravidade é tão intensa que nem a luz escapa dele, e portanto não podemos obter informações de seu interior. O limite observável em torno do buraco negro corresponde ao horizonte de eventos. A matéria que é capturada para dentro deste horizonte desaparece, aumentando a massa do buraco negro. Acredita-se que esta matéria acabe se concentrando num ponto para dentro do horizonte de eventos, de densidade infinita.

Buracos negros são considerados a fase final de uma estrela de grande massa (maior que 5 vezes a massa do Sol), sendo chamados, inclusive, de sua “morte”. Estrelas são astros estáveis durante a maior parte de sua “vida” em que agem forças opostas de pressão interna e gravidade, mantidas em equilíbrio. No seu núcleo ocorrem constantes reações nucleares de fusão de núcleos de hidrogênio em hélio.

Quando todo o hidrogênio da parte central de uma estrela é consumido, ela sofre contrações e tem a temperatura do seu centro aumentada, propiciando o início de reações nucleares envolvendo elementos sucessivamente mais pesados. No final desse processo, se a massa estelar é elevada, ocorre uma explosão, denominada supernova. Essa reação pode resultar em um buraco negro se a massa do caroço remanescente da estrela for superior a, aproximadamente, três sóis.

Caso não se forme um buraco negro após a supernova, o resultado será uma estrela de nêutrons, outra possibilidade de fim de uma estrela. Não é possível visualizar um buraco negro, já que ele não emite qualquer radiação. Mas pode ser observado a partir do efeito causado nos demais astros.

Quando matéria é atraída por um deles, o caso mais comum é que ela forme um disco de acresção (veja explicação abaixo) em torno do buraco negro, e desça em espiral em direção a ele. No processo, a matéria do disco esquenta muito, emitindo diversas radiações. Existem hipóteses de que exista um buraco negro supermassivo no centro de cada galáxia, inclusive da Via Láctea, onde está o planeta Terra.

As hipóteses que explicam tal fato são divergentes: uma delas sugere que o buraco negro seria o responsável pela formação das galáxias, devido à sua alta capacidade atrativa. Descobriu-se, porém, uma galáxia em que não foi detectado nenhum buraco negro, apesar de não se descartar a possibilidade de existência de um bem pequeno em seu centro.

Acredita-se que no momento conhecido como Big Bang o universo seria parecido com o interior de um buraco negro: pequenos buracos negros teriam se seguido a essa explosão inicial, devido às condições de alta temperatura e pressão. Ou seja, o fenômeno do buraco negro, que é ainda uma incógnita para a Ciência contemporânea, estaria na origem do universo.

Como ocorre a evolução da estrela, desde o momento em que é gerada?

As estrelas se formam a partir da contração de nuvens de gás, que têm extensões maiores do que o sistema solar inteiro. A contração continua até que a temperatura interna fique grande o suficiente para haver a ignição nuclear, ou seja, 4 núcleos de hidrogênio acabam dando origem a um núcleo de Hélio, liberando energia no processo. Estabelece-se então uma situação de equilíbrio, em que a pressão interna dos gases que formam a estrela segura a atração gravitacional e a estrela passa por um longo período de estabilidade, como aquele em que se encontra o Sol, que vai durar cerca de 4,5 bilhões de anos ainda.

A evolução depois desta fase de estabilidade vai depender da massa inicial da estrela: Estrela com massa semelhante a do Sol vai acabar com uma anã branca quando acabar o combustível nuclear; Estrela com massa bem maior (maior do que 5 vezes a massa do Sol) vai evoluir mais rápido e as reações nucleares vão se tornando cada vez mais energéticas acabando por causar a explosão da estrela. O resultado dessa explosão pode ser um buraco negro ou uma estrela de nêutrons.

Como é possível tirar fotos de buracos negros?

Como os buracos negros não emitem radiação, é impossível obter a imagem de um buraco negro. O que se verifica são os efeitos que o buraco negro causa ao seu redor. Então o que se observa é que as estrelas e algumas vezes nuvens de gás que estão bem próximas ao buraco negro se movem com alta velocidade e a partir da medida desta velocidade (através do efeito Doppler da luz) pode-se calcular a massa do buraco negro.

Existem pelo menos dois tipos de buracos negros: os estelares, que têm massas de 8 a 10 vezes a massa do Sol, e os supermassivos, que tem massas de 1 milhão a 1 bilhão de vezes a massa do Sol. Estes últimos estão no centro das galáxias, enquanto que os estelares podem estar em qualquer lugar em uma galáxia.

O que é o disco de acresção?

O disco de acresção se forma quando matéria gasosa, que tem momentum angular, é atraída para o buraco negro. Para conservar esse momentum angular, essa matéria fica girando em torno do buraco negro, sob a forma de um disco, e vai lentamente caindo para dentro dele, ao perder momentum angular. Nas regiões mais internas, o disco vai se aquecendo e emite radiação ultravioleta e X, que são observadas e constituem uma assinatura do disco e do buraco negro, uma vez que o disco não é resolvido, ou seja, não se pode observar sua forma, pois o disco é muito pequeno e muito distante de nós. Só observamos a luz total emitida.

Por que se acredita na existência de buracos negros dentro das galáxias?

As observações da velocidade das estrelas e algumas vezes de nuvens de gás no centro das galáxias mostram que a massa que as está atraindo é muito grande.

Nas galáxias mais próximas bem como na nossa galáxia, estas observações chegam tão perto do centro da galáxia que se conclui que a quantidade de massa inferida pelo movimento não pode estar sob a forma de estrelas, pois elas teriam que estar muito próximas uma das outras, numa estrutura que não é estável.

Portanto se conclui que tem que ser algo mais compacto, como um buraco negro.

Buraco Negro – Características

Buraco Negro

Os buracos negros se formam dos caroços estrelares (o que restou da morte da estrela que não se transformou em supernova). Se o caroço remanescente tiver mais que três massas solares (3x a massa do sol), ele irá formar um buraco negro.

Sua principal caracteristica é a super força gravitacional, tão forte que nem a luz escapa da sua atração (por isso um buraco negro não é visível). No entanto, podem ser percebidos se possuírem uma estrela companheira muito próxima.

A gravidade do buraco negro atrai o gás da outra estrela, formando um disco visível.

Eventualmente, a matéria espirala e atravessa o horizonte de eventos (o limite do buraco negro) e, desse modo, desaparece do Universo visível.

Um buraco negro pode ter sua origem no colapso gravitacional de uma estrela muito maciça no final da sua vida, depois desta se tornar numa supernova, podendo também existir buracos negros que foram criados nos primeiros tempos do Universo.

Existem apenas 3 características para definir um buraco negro: massa, momento angular (velocidade de rotação) e carga elétrica.

Existem 2 tipos de buracos negros:

Buracos negros de Schwarzschild, que não possuem rotação
Buracos negros de Kerr, com rotação.

Ao redor do buraco negro, tenha ele rotação ou não, existe uma superfície imaginária chamada de horizonte dos acontecimentos, que delimita a região de não regresso, ou seja, se alguma coisa for em direção ao buraco negro e passar por esse limite já não poderá sair devido à atração gravitacional.

No caso dos buracos negros com rotação, existe mais uma característica: a ergosfera. Trata-se de uma região distorcida, exterior ao horizonte dos acontecimentos, em que tudo o que nela entrar é “forçado” a girar no sentido da rotação do buraco negro, porém não é uma zona de não regresso. A ergosfera é exteriormente delimitada pelo chamado “limite estático”.

Posto isso, podemos perguntar: Que dimensões tem um buraco negro?

Para respondermos a essa questão fazemos uso de uma fórmula matemática que nos permite conhecer o chamado raio de Schwarzschild, que define que tamanho terá que ter um sistema material, levando em conta sua massa, para que este se torne num buraco negro.

A fórmula é:

Rs = 2Gm/c²

Onde:

Rs: corresponde ao raio de Schwarzschild
G: é a constante gravitacional (6,67 x 10-11 N m²/Kg²);
m: é a massa do objeto;
c: é a velocidade da luz (299.792.458 m/s).

A título de exemplo, para que o Sol se transformasse num buraco negro teria que toda a sua massa se concentrar num corpo com 3 km de raio. A Terra teria que concentrar toda a sua massa num corpo com somente 9 milímetros de raio.

Buraco Negro – O que são

Buraco Negro

De forma muito simplista, um buraco negro é uma região do espaço que contém tanta massa concentrada que nenhum objeto consegue escapar de sua atração gravitacional.

Como a melhor teoria gravitacional no momento ainda é a Teoria da Relatividade Geral de Einstein, somos obrigados a mergulhar em alguns dos resultados preditos por essa teoria para entender os detalhes de um buraco negro, mas vamos começar devagar, pensando sobre a gravidade em circunstâncias relativamente simples.

Suponha que você está na superfície de um planeta. Você atira uma pedra direto para cima. Supondo que você não atire a pedra muito forte, ela subirá por algum tempo, mas eventualmente a aceleração devida à gravidade do planeta vai fazê-la descer de novo.

Se você atirar a pedra com força suficiente, no entanto, você poderia fazê-la escapar inteiramente da gravidade do planeta. A pedra continuaria a subir para sempre. A velocidade com que é necessário atirar a pedra para que ela escape da atração gravitacional do planeta é chamada de “velocidade de escape”.

Como seria de esperar, a velocidade de escape depende da massa do planeta: se o planeta for extremamente massivo, sua gravidade é muito intensa, e a velocidade de escape muito elevada. Um planeta mais “leve” teria uma velocidade de escape inferior.

A velocidade de escape também depende da distância a que você se encontra do centro do planeta: quanto mais perto você estiver, maior a velocidade de escape.

A velocidade de escape da Terra é de 11,2 km/s (cerca de 40.000 km/h), enquanto que a velocidade de escape da Lua é de apenas 2,4 km/s (cerca de 8.600 km/h).

Imagine agora um objeto com tamanha massa, concentrada num raio de tal forma pequeno, que sua velocidade de escape seja maior que a velocidade da luz.

Neste caso, uma vez que nada pode se deslocar mais rapidamente que a luz, nada poderá escapar do campo gravitacional desse objeto. Mesmo um raio de luz seria puxado de volta pela gravidade e não teria como escapar.

A idéia de uma concentração de massa tão densa que até mesmo a luz ficasse aprisionada vai bem ao passado, até Laplace, no século 18. Quase imediatamente em seguida de Einstein ter desenvolvido a relatividade geral, Karl Schwarzschild descobriu uma solução matemática para as equações daquela teoria que descreviam um tal objeto.

Foi somente muito mais tarde, com o trabalho de cientistas como Oppenheimer (o mesmo do Projeto Manhattan, da bomba atômica americana), Volkoff e Snyder, na década de 30, que se começou a pensar seriamente na possibilidade de que tais objetos pudessem realmente existir no Universo.

Esses pesquisadores mostraram que, quando uma estrela suficientemente massiva consome todo seu combustível, ela perde a capacidade de sustentar o encolhimento devido à sua própria atração gravitacional, e então desaba sobre si própria na forma de um buraco negro.

Na relatividade geral, a gravidade é uma manifestação da curvatura do espaço-tempo. Objetos massivos distorcem as dimensões de espaço e tempo de tal forma que as regras normais da geometria não se aplicam mais. Perto de um buraco negro essa distorção do espaço é extremamente intensa, provocando o aparecimento de certas propriedades muito estranhas.

Em particular, um buraco negro tem algo que se chama “horizonte de eventos”, que é uma superfície esférica que marca as fronteiras do buraco negro. Você pode passar através do horizonte de eventos no sentido de entrada, mas depois não pode sair mais.

Na verdade, uma vez cruzado o horizonte de eventos, você está inexoravelmente fadado a se aproximar cada vez mais da “singularidade” localizada no centro do buraco negro.

Você pode pensar no horizonte de eventos como um lugar em que a velocidade de escape é igual à velocidade da luz. Fora do horizonte de eventos, a velocidade de escape é menor do que a da luz, de modo que se você acionar seus foguetes com força suficiente poderá obter a energia necessária para escapar do buraco negro.

Mas se você se encontrar para dentro do horizonte de eventos, não importa quão potentes sejam seus foguetes, pois você não poderá escapar.

O horizonte tem algumas propriedades geométricas realmente estranhas. Para um observador que esteja imóvel a alguma distância do buraco negro, o horizonte parece ser uma superfície esférica tranqüila e estática. Mas à medida que você se aproximar do horizonte, perceberá que ele está se movendo a uma velocidade espantosa.

Na verdade, está se expandindo à velocidade da luz! Isto explica porque é tão fácil atravessar o horizonte na direção para dentro, mas impossível retornar. Como o horizonte está se movendo à velocidade da luz, para poder escapar de volta através dele você teria que viajar a uma velocidade superior à da luz. Como você não poder viajar mais rápido do que a luz, você não pode escapar do buraco negro.

(Se toda esta história estiver soando muito estranha, não se preocupe. Ela é estranha. O horizonte é estático, num certo sentido, mas noutro sentido está se deslocando à velocidade da luz.

É um pouco como aquela história de Alice no País das Maravilhas: ela tinha que correr tão rápido quanto possível, apenas para permanecer no mesmo lugar.)

Uma vez dentro do horizonte, o espaço-tempo é tão distorcido que as coordenadas que descrevem distância radial e tempo trocam suas posições. Ou seja, a coordenada que descreve a sua distância do centro, “r”, passa a ser uma coordenada do tipo tempo, e a coordenada “t” passa a ser do tipo espacial.

Uma conseqüência disto é que você não consegue mais evitar seu deslocamento no sentido de valores cada vez menores de r, da mesma forma como normalmente você não consegue evitar o deslocamento da coordenada de tempo na direção do futuro (ou seja, no sentido de valores maiores de t).

Eventualmente você vai atingir a singularidade, localizada em r=0.

Você pode tentar evitá-la acionando seus foguetes, mas é inútil: não importa qual a direção em que você tente fugir, não conseguirá evitar seu futuro. Tentar evitar o centro de um buraco negro depois de ter atravessado seu horizonte é como tentar evitar a próxima segunda-feira.

Por falar nisso, o nome “buraco negro” foi inventado por John Archibald Wheeler, e parece ter ficado mesmo por ser muito mais atraente dos que os anteriores.

Antes de Wheeler aparecer, esses objetos eram conhecidos como “estrelas congeladas”. A explicação está adiante.

Qual é o tamanho de um buraco negro?

Há pelo menos duas maneiras diferentes de descrever o tamanho de alguma coisa. Podemos especificar que massa essa coisa tem, ou podemos especificar o espaço que ela ocupa. Primeiramente, vamos falar da massa dos buracos negros.

Em princípio, não existe limite nem superior nem inferior para a massa de um buraco negro. Qualquer quantidade de matéria pode, em teoria, se transformar num buraco negro, se for comprimida a uma densidade suficiente.

Suspeita-se que a maioria dos buracos negros existentes no Universo tenham sido criados na morte de estrelas massivas, e por isso calcula-se que sua massa seja igual à dessas estrelas. A massa típica de um desses buracos negros estelares seria da ordem de 10 vezes a massa do Sol, ou cerca de 10^{31} quilogramas. (Aqui está sendo usada a notação científica:10^{31} significa 1 seguido de 31 zeros, ou 10,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000.)

Os astrônomos também suspeitam que muitas galáxias abriguem buracos negros extremamente massivos em seus centros. Esses buracos negros teriam massas um milhão de vezes maiores que a do Sol, ou 10^{36} quilogramas.

Quanto mais massivo for um buraco negro, mais espaço ele ocupa.

Na verdade, o raio de Schwarzschild (que representa o raio do horizonte de eventos) e a massa são diretamente proporcionais: se um buraco negro tem massa dez vezes superior à de um outro, seu raio é dez vezes maior. Um buraco negro com massa igual à do Sol teria um raio de 3 quilômetros.

Assim, um buraco negro típico com 10 massas solares teria um raio de 30 quilômetros, e um buraco negro de centro de galáxia com um milhão de massas solares teria um raio de 3 milhões de quilômetros.

Este tamanho pode parecer muito grande, mas não o é em termos astronômicos. O Sol, por exemplo, tem um raio de cerca de 700.000 km, e assim um tal buraco negro supermassivo teria um raio apenas cerca de quatro vezes maior que o Sol.

O que me aconteceria se eu caísse num buraco negro?

Suponhamos que você entre em sua nave espacial e a dirija para o buraco negro com um milhão de massas solares localizado no centro da nossa galáxia. (Na verdade, há algum debate sobre se a nossa galáxia contém ou não um buraco negro no seu centro, mas vamos supor que por ora isso seja verdade.) A uma longa distância do buraco negro, você simplesmente desliga seus motores e deixa a nave deslizar na direção dele. O que acontece?

A princípio, você não sente nenhuma força gravitacional. Uma vez que você está em queda livre, todas as partes do seu corpo, e mais todas as partes da nave, estão sendo puxadas da mesma forma, e portanto você tem a sensação de ausência de peso.

(Isto é exatamente o que se passa com astronautas em órbita da Terra: mesmo que tanto os astronautas quanto a nave estejam sendo puxados pela gravidade da Terra, eles não sentem nenhuma força gravitacional, porque tudo está sendo puxado exatamente na mesma proporção.)

À medida que você se aproxima cada vez mais do buraco negro, no entanto, você começa a sentir forças gravitacionais do tipo “de maré”. Imagine que seus pés estejam mais próximos do centro do buraco negro do que sua cabeça (como se você estivesse caindo “em pé”).

O puxão gravitacional fica mais intenso quanto mais você se aproxima do buraco negro, de forma que seus pés sentem uma força mais intensa do que sua cabeça.

Como resultado, você se sente “esticado”. (Esta força é chamada de força “de maré” porque é exatamente esse tipo de força que causa as marés na Terra.) Estas forças de maré ficam mais intensas à medida que você se aproxima do centro do buraco negro, e eventualmente você será feito em pedaços por elas.

Para um buraco negro de grandes dimensões como aquele onde você está caindo, as forças de maré só são perceptíveis a partir de 600.000 km de distância do centro. Atenção ao fato de que, neste caso, esta distância está já para dentro do horizonte de eventos.

Se você estivesse caindo num buraco negro menor, digamos um com a mesma massa do Sol, as forças de maré seriam perceptíveis a cerca de 6.000 km de distância do centro, e portanto você seria desfeito muito antes de cruzar o horizonte de eventos desse buraco.

(Essa é a razão porque imaginamos que o buraco negro do exemplo deveria ser grande, em vez de pequeno: para que você sobreviva pelo menos até cruzar o horizonte de eventos.)

O que é que você vê à medida que cai?

Por surpreendente que pareça, nada de muito interessante será visto, necessariamente. As imagens dos objetos distantes podem ficar distorcidas de maneiras estranhas, uma vez que a gravidade do buraco negro desvia a luz, mas não muito mais do que isso. Em particular, nada de especial acontece no momento em que você cruza o horizonte de eventos.

Mesmo depois de cruzá-lo, você continua a ver objetos do lado de fora: afinal, a luz proveniente deles ainda pode chegar até você. Ninguém do lado de fora, no entanto, poderá vê-lo, naturalmente, já que a luz de dentro não consegue escapar para fora do horizonte.

Quanto tempo dura todo o processo?

Bem, é claro que isso depende da distância a que você estava quando começou. Digamos que se partisse do repouso num ponto situado a uma distância da singularidade igual a dez vezes o raio do buraco negro. Neste caso, para um buraco com um milhão de massas solares, você levaria cerca de 8 minutos para atingir o horizonte.

Depois de atingido esse ponto, em apenas sete segundos você atingirá a singularidade! Como essas contas são diretamente proporcionais ao tamanho do buraco negro, se você estivesse se dirigindo a um buraco negro muito menor, morreria muito mais depressa.

Uma vez cruzado o horizonte, nos sete segundos restantes você poderia entrar em pânico e acionar seus foguetes, numa tentativa desesperada de evitar a singularidade. Infelizmente isso é inútil, pois a singularidade está localizada no seu futuro (variável t crescente), e é impossível evitar o seu futuro. Na verdade, quanto mais os foguetes forem acionados, tanto mais depressa você se dirigirá para a singularidade. A melhor (e única) coisa a fazer é apreciar a viagem.

Minha amiga está a uma distância segura, observando minha queda em direção ao buraco negro. O que ela vê?

Ela vê as coisas de forma muito diferente que você. À medida que você se aproxima do horizonte, ela o vê mover-se cada vez mais devagar. Na verdade, independente de quanto tempo ela esperar, nunca o verá atingir precisamente o horizonte.

Isto é mais ou menos a mesma coisa que se pode dizer sobre o material do qual o buraco negro foi formado inicialmente. Suponha que o buraco negro se formou a partir do colapso de uma estrela. À medida que a estrela que vai formar o buraco negro entra em colapso, sua amiga a vê cada vez menor, aproximando-se mas nunca chegando ao seu raio de Schwarzschild.

É por esta razão que os buracos negros originalmente eram chamados de estrelas congeladas: porque pareciam se “congelar” num tamanho um pouco apenas maior do que o raio de Schwarzschild.

Porquê ela vê as coisas dessa maneira?

Talvez a melhor explicação seja que se trata de uma ilusão de óptica. O buraco negro não leva um tempo infinito para se formar, assim como você não leva um tempo infinito para cruzar o horizonte de eventos. (Se não acredita, tente você mesmo! Você estará do outro lado do horizonte em oito minutos, e morto esmagado em uns poucos segundos a mais.)

À medida que você se aproxima do horizonte, a luz emitida por você levará cada vez mais tempo para chegar até a sua amiga. Com efeito, a luz que for emitida no momento exato em que você cruzar o horizonte ficará suspensa eternamente no horizonte, e nunca chegará até a sua amiga. Muito tempo pode já se ter passado depois de você cruzar o horizonte (e possivelmente morrido), os sinais luminosos emitidos por você que seriam a evidência daquele fato nunca chegarão à sua amiga.

Há uma outra forma de encarar toda esta questão. Num certo sentido, o tempo realmente passa mais devagar perto do horizonte do que longe dele. Suponha que você leve sua espaçonave até um ponto muito próximo do horizonte, e permaneça ali estacionado por algum tempo (queimando uma quantidade enorme de combustível para evitar cair no buraco negro).

Depois, você retorna e se encontra de novo com sua amiga. Você descobrirá que ela envelheceu muito mais do que você durante todo o processo; o tempo passou mais devagar para você do que para ela.

Então, qual destas duas explicações (a da ilusão de óptica e a da desaceleração do tempo) é realmente a correta? A resposta depende do sistema de coordenadas que for usado para descrever o buraco negro. Segundo o sistema usual de coordenadas, chamado de “coordenadas de Schwarzschild”, você cruza o horizonte de eventos quando a coordenada de tempo t tiver valor infinito.

Portanto, nestas coordenadas realmente o tempo gasto para cruzar o horizonte de eventos é infinito. Mas a razão para isso é que as coordenadas de Schwarzschild oferecem uma visão muito distorcida do que está acontecendo no horizonte, ou próximo dele. De fato, no próprio horizonte as coordenadas estão infinitamente distorcidas (ou, para usar a terminologia apropriada, são “singulares”).

Se você escolher um sistema de coordenadas que não sejam singulares no horizonte, então você verá que o tempo ao cruzar o horizonte é realmente finito, mas o tempo em que sua amiga vê você a cruzar o horizonte é infinito, pois a radiação levou um tempo infinito para chegar até ela. No fundo, é permitido usar qualquer dos sistemas de coordenadas, e portanto ambas as explicações são válidas. São apenas maneiras diferentes de dizer a mesma coisa.

Na prática, você vai efetivamente se tornar invisível à sua amiga bem rapidamente, pela simples razão de que a luz emitida por você vai sofrer desvios para o vermelho à medida que se afasta do buraco negro. A luz que você emitir num certo comprimento de onda será vista por sua amiga com um comprimento de onda maior. Os comprimentos de onda vão se tornando cada vez maiores à medida que você se aproxima do horizonte.

Eventualmente, você simplesmente deixará de ser visível: a luz emitida estará desviada para o infravermelho, depois para ondas de rádio. A partir de um certo ponto, os comprimentos de onda serão tão grandes que ela deixará de poder observá-los. Além disso, lembre-se que a luz é emitida em pacotes individuais chamados fótons.

Suponha que você esteja emitindo fótons ao atravessar o horizonte. Num certo ponto, você emitirá o último fóton antes de cruzar o horizonte. Aquele fóton vai chegar à sua amiga num tempo finito – tipicamente menos de uma hora para um buraco negro de um milhão de massas solares – e depois disso ela nunca mais verá nada de você (afinal, nenhum dos fótons emitidos por você depois de cruzar o horizonte jamais chegarão a ela).

Se um buraco negro existisse, ele terminaria por sugar toda a matéria do Universo?

De jeito nenhum. Um buraco negro tem um “horizonte”, que significa uma região da qual você não pode escapar. Se você cruzar o horizonte, está fadado a eventualmente atingir a singularidade. Mas se você ficar longe do horizonte, você pode perfeitamente evitar ser sugado para dentro do buraco negro.

Na verdade, para alguém a uma distância muito grande do horizonte, o campo gravitacional estabelecido por um buraco negro não tem nenhuma diferença do campo gravitacional estabelecido por qualquer outro objeto com a mesma massa.

Em outras palavras, um buraco negro de uma massa solar não tem diferença nenhuma de qualquer outro objeto com uma massa solar (como por exemplo o próprio Sol), no que diz respeito à capacidade de “sugar” objetos distantes.

E se o Sol se tornasse num buraco negro?

Bem, em primeiro lugar, deixe-me assegurar-lhe que o Sol não tem nenhuma intenção de o fazer. Somente estrelas com massa consideravelmente superior à do Sol terminam suas vidas como buracos negros. O Sol vai permanecer mais ou menos como está por ainda uns cinco bilhões de anos.

Em seguida, vai passar por uma rápida fase como uma estrela gigante vermelha, durante a qual vai se expandir até englobar as órbitas (e os próprios planetas) de Mercúrio e Vênus, e ainda tornar a vida na Terra bastante desconfortável (oceanos em fervura, atmosfera escapando para o espaço, coisas assim). Depois disso, o Sol vai terminar a vida como uma mera estrela anã branca.

Se eu fosse você, faria planos de mudança para algum lugar muito distante antes que qualquer dessas coisas aconteça. Ah, e também não compraria nenhum daqueles títulos do governo resgatáveis em 8 bilhões de anos.

Mas voltemos ao assunto. E se o Sol se tornasse mesmo um buraco negro por alguma razão? O efeito principal seria que tudo ficaria muito escuro e frio por aqui.

A Terra e os outros planetas não seriam sugados para o buraco negro; ficariam, isto sim, exatamente nas mesmas órbitas em que hoje estão. Porquê?

Porque o horizonte do buraco negro seria muito pequeno – apenas uns 3 km – e, como observamos acima, desde que você fique longe do horizonte eventual, a gravidade do buraco negro não tem diferença daquela de qualquer outro objeto de mesma massa.

Existe alguma evidência de que os buracos negros realmente existam?

Sim. Você não pode ver um buraco negro diretamente, claro, pois a luz não sai do seu horizonte de eventos. Isto quer dizer que temos que confiar em evidências indiretas da existência de buracos negros.

Suponha que você tenha encontrado uma região do espaço onde você pense que possa haver um buraco negro. Como é que se pode verificar se ele está mesmo lá? A primeira coisa a medir seria a massa existente na tal região.

Se você encontrou uma massa muito grande concentrada num volume muito pequeno de espaço, e se a massa é escura, então as chances são boas de você ter encontrado mesmo um buraco negro.

Existem dois tipos de sistemas onde os astrônomos encontraram objetos desse gênero, massivos, compactos e escuros: o centro das galáxias (inclusive, talvez, a nossa própria Via Láctea), e sistemas binários emissores de raios X na nossa galáxia.

Várias galáxias já foram detectadas como candidatas por conterem objetos massivos e escuros nos seus centros. As massas dos núcleos dessas galáxias vão de um milhão a vários bilhões de massas solares.

Essas massas são medidas pela observação das velocidades orbitais das estrelas e do gás interestelar em torno do núcleo da galáxia: quanto maior a velocidade, maior a força gravitacional necessária para manter as estrelas e o gás nas suas órbitas.

(Esta é a forma mais comum de medir massas em astronomia. Por exemplo, medimos a massa do Sol pela observação da velocidade dos planetas em órbita dele, e medimos a quantidade de matéria escura nas galáxias medindo a velocidade orbital de objetos nos limites da galáxia.)

Pensa-se que esses objetos escuros nos núcleos galáticos sejam buracos negros por pelo menos duas razões.

Primeiro, é difícil pensar em qualquer outra coisa que eles pudessem ser: são muito densos e escuros para serem estrelas ou agrupamentos de estrelas.

Segundo, a única teoria razoável na explicação dos objetos enigmáticos conhecidos como quasares (do inglês quasar, “quasi-stellar objects”, objetos quase-estelares) e das galáxias ativas postula que tais galáxias contêm buracos negros supermassivos em seus núcleos. Se esta teoria estiver correta, então uma fração significativa das galáxias – todas as que hoje são ou já foram ativas – devem ter buracos negros supermassivos em seus núcleos.

Tomados em conjunto, estes argumentos sugerem fortemente que os núcleos destas galáxias contêm buracos negros, mas não constituem prova absoluta.

Duas descobertas muito recentes suportam ainda mais fortemente a hipótese acima. Primeiro, descobriu-se uma galáxia ativa próxima que contém um maser de água (um amplificador natural de radiação de microondas baseado em moléculas de água; o termo maser vem do inglês “Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation”) próximo do seu núcleo.

Usando a técnica de interferometria de linha de base muito longa, um grupo de pesquisadores conseguiu determinar a distribuição de velocidades no gás com resolução muito fina. Com efeito, foram capazes de medir a velocidade a uma distância menor do que meio ano-luz do núcleo da galáxia.

A partir dessas medidas, puderam concluir que o objeto massivo no centro dessa galáxia tem menos do que meio ano luz de raio. É difícil imaginar qualquer outra coisa a não ser um buraco negro que tenha tanta massa concentrada num volume tão pequeno. (Esses resultados foram apresentados no volume 373, pág. 127, da edição da revista Nature de 13 de Janeiro de 1995.)

Uma segunda descoberta oferece prova ainda mais conclusiva. Astrônomos de raios X detectaram uma linha espectral de um núcleo galáctico que indica a presença de átomos perto do núcleo que se movem a uma velocidade muito elevada (cerca de um terço da velocidade da luz).

Além disso, a radiação desses átomos foi desviada para o vermelho exatamente da mesma maneira prevista para a radiação emitida das proximidades do horizonte de eventos de um buraco negro. Seria muito difícil explicar isso de qualquer outra forma a não ser com um buraco negro e, se estas descobertas forem comprovadas, então a hipótese de que alguns núcleos galácticos contêm buracos negros supermassivos estaria praticamente assegurada.

(Estes resultados foram apresentados no volume 375, pág. 659, da edição da revista Nature de 22 de Junho de 1995.)

Uma classe completamente diferente de candidatos a buracos negros pode ser encontrada na nossa própria galáxia. Trata-se de buracos negros muito menores, de massas de ordem estelar, que pensa-se que sejam formados quando uma estrela massiva termina sua vida numa explosão de supernova.

Se um tal buraco negro estelar estivesse sozinho por aí, não teríamos muita chance de achá-lo. Entretanto, muitas estrelas existem na forma de sistemas binários – pares de estrelas uma em órbita da outra. Se uma das estrelas num tal sistema binário se tornar um buraco negro, poderíamos detectá-lo.

Em particular, em alguns sistemas binários contendo um objeto compacto como um buraco negro a matéria do outro objeto é sugada e forma um assim chamado “disco de acreção” que fica girando em torno e caindo na direção do buraco negro.

A matéria do disco de acreção fica muito aquecida à medida que cai para o buraco negro, emitindo intensas quantidades de radiação, na sua maior parte na faixa do espectro correspondente aos raios X. Muitos desses “sistemas binários de raios X” são conhecidos, e pensa-se que alguns sejam fortes candidatos a buracos negros.

Suponha que você tenha encontrado um sistema binário de raios X. Como pode saber se o objeto não visível é mesmo um buraco negro? Uma das coisas certamente necessárias de estimar é a massa do objeto. Através da medida da velocidade orbital da estrela visível (junto com mais outros parâmetros), pode-se deduzir a massa da companheira invisível.

(A técnica é muito semelhante àquela descrita acima para buracos negros supermassivos em núcleos galácticos: quanto mais rápido a estrela se mover, maior a força gravitacional necessária para mantê-la na órbita, e portanto mais massa tem a companheira invisível.)

Se concluir que a massa do objeto compacto é muito, muito grande, entra novamente em cena o argumento de não se conhecer outro objeto que pudesse ser senão um buraco negro. (Uma estrela normal com a mesma massa seria visível.

Os restos de uma estrela tal como uma estrela de neutros não seriam capazes de impedir o próprio encolhimento gravitacional, e entrariam em colapso até formar um buraco negro.) A combinação dessas estimativas de massa com estudos detalhados da radiação do disco de acreção pode fornecer evidência circunstancial suficiente para decidir que o objeto em questão é mesmo um buraco negro.

Muitos desses sistemas binários de raios X são hoje conhecidos, e em alguns casos a evidência a favor da hipótese dos buracos negros é bastante forte.

Num artigo publicado na edição de 1992 da Revista Anual de Astronomia e Astrofísica, Anne Cowley resumiu a situação dizendo que havia três sistemas conhecidos na altura (dois na nossa galáxia e um na vizinha Grande Nuvem de Magalhães) para os quais existe evidência muito forte de que a massa do objeto invisível é grande demais para ser qualquer outra coisa que não seja um buraco negro.

Existem muitos outros objetos que se pensa sejam buracos negros com apoio em evidência menos convincente. Além disso, este campo de pesquisa tem estado muito ativo desde 1992, e o número de candidatos fortes atualmente é muito maior que três.

Como é que um buraco negro se evapora?

Esta é difícil.

Lá pela década de 1970, Stephen Hawking apresentou argumentos teóricos que demonstravam que os buracos negros não são, na verdade, totalmente negros: devido a efeitos de mecânica quântica, eles emitem radiação.

A energia que produz a radiação vem da massa do buraco negro. Consequentemente, o buraco negro gradualmente encolhe. Sucede ainda que a taxa de emissão de radiação aumenta à medida que a massa diminui, de modo que o buraco negro continua a irradiar cada vez mais intensamente, e a encolher cada vez mais depressa, até que, presumivelmente, desaparece totalmente.

Na verdade, ninguém sabe realmente com certeza o que se passa nos últimos estágios da evaporação de um buraco negro: alguns pesquisadores pensam que pelo menos um minúsculo, porém estável, remanescente permanece. Nossas teorias correntes simplesmente não servem para nos dizer com certeza qual é a suposição correta.

E já que estou antecipadamente apresentando desculpas, convém acrescentar que, no fundo, todo o assunto da evaporação dos buracos negros é extremamente especulativo. Ele envolve a realização de cálculos de mecânica quântica (ou melhor, de teoria de campos quânticos) em espaço-tempos curvos, o que é uma tarefa consideravelmente complexa, e cujos resultados são virtualmente impossíveis de testar sem experimentos reais.

Os físicos pensam que têm as teorias corretas para fazer previsões sobre a evaporação de buracos negros, mas sem testes experimentais é impossível ter certeza.

Porém, porque os buracos negros se evaporam?

Eis uma forma de encarar este fato que é apenas levemente inexata (não creio que seja possível fazer muito melhor do que isso, a menos que você queira alguns passar anos aprendendo teoria de campos quânticos em espaços curvos).

Uma das conseqüências do princípio da incerteza de Heisenberg na mecânica quântica é que é possível que a lei de conservação da energia seja violada, mas apenas por curtíssimos períodos de tempo. É possível produzir massa e energia no Universo a partir do nada, mas apenas se aquela massa ou energia desaparecerem logo em seguida. Uma forma particular em que este estranho fenômeno se manifesta recebe o nome de flutuações do vácuo.

Pares constituídos de partículas e antipartículas podem aparecer do nada, existir por um curtíssimo período de tempo e em seguida aniquilarem-se mutuamente. A lei de conservação da energia é violada quando as partículas aparecem, mas é restaurada quando elas se aniquilam. Por mais absurdo que pareça, existem confirmações experimentais de que essas flutuações do vácuo acontecem na realidade.

Agora, suponha que uma dessas flutuações do vácuo aconteça justamente na fronteira do horizonte de eventos de um buraco negro. Pode ser então que uma das duas partículas caia para dentro do horizonte, enquanto que a outra escapa. Aquela que escapar carrega consigo energia do buraco negro e pode ser detectada por algum observador distante.

Aquele observador terá a impressão de que o buraco negro acaba de emitir uma partícula. Como este processo acontece continuamente, o que o observador vê é um feixe contínuo de partículas emanando do buraco negro.

Um buraco negro embaixo de mim não se evaporaria antes de eu cair nele?

Já observamos que, do ponto de vista da sua amiga que está segura fora do alcance do buraco negro, você leva um período infinito de tempo para cruzar o horizonte eventual. Também já observamos que os buracos negros se evaporam através da assim chamada radiação de Hawking num tempo finito. Não se poderia passar, então, que quando você atingisse o horizonte o buraco negro já se tivesse todo evaporado?

Nem pensar. Quando dissemos que sua amiga o veria a tomar um tempo infinito para cruzar o horizonte, estávamos falando de um buraco negro não-volátil. Se o buraco negro se estiver evaporando, as coisas mudam de figura. Sua amiga o verá a cruzar o horizonte no exato momento em que ela vir o buraco negro evaporar-se. Deixe-me tentar descrever porquê isto é assim.

Lembre-se do que foi dito antes: sua amiga está sendo vítima de uma ilusão de óptica.

A luz que você emite quando está muito perto do horizonte (mas ainda do lado de fora) leva um tempo muito longo para atingi-la. Se o buraco negro durar para sempre, então a luz pode levar um tempo arbitrariamente longo para chegar a ela, e esta é a razão porque ela não o vê cruzando o horizonte por um tempo que pode ser muito longo (até mesmo infinito).

Mas, assim que o buraco negro se evaporar, não há mais nada para impedir a luz que leva a informação da sua passagem pelo horizonte de chegar até a sua amiga. Na verdade, essa luz vai atingir sua amiga exatamente no mesmo momento do último feixe de radiação de Hawking.

Claro que nada disso terá importância para você, que estará morto já há muito tempo desde que efetivamente cruzou o horizonte e foi esmagado na singularidade.

O que é um buraco branco?

As equações de relatividade generalizada têm uma propriedade matemática interessante: elas são simétricas no tempo. Isto que dizer que você pode tomar qualquer solução das equações e imaginar que o tempo flui ao contrário, e vai obter um novo conjunto de soluções perfeitamente válidas das equações.

Se você aplicar esta regra ás soluções que descrevem os buracos negros, o resultado final é o que se chama de buraco branco. Já que um buraco negro é uma região do espaço de onde nada escapa, a versão invertida no tempo disso é uma região do espaço onde nada pode cair. Na verdade, assim como um buraco negro somente absorve tudo, um buraco branco somente expele tudo.

Buracos brancos são uma solução matemática perfeitamente válida das equações de relatividade generalizada, mas isto não quer dizer que eles realmente existam na natureza. É quase certo, aliás, que eles não existam, uma vez que não há como produzi-los – produzir um buraco branco é tão impossível quanto destruir um buraco negro, já que os dois processos são cópias invertidas no tempo um do outro.

O que é um buraco de minhoca (wormhole)?

Até agora, somente consideramos buracos negros do tipo comum. Especificamente, estivemos falando de buracos negros desprovidos de movimento de rotação e de carga elétrica. Se considerarmos buracos negros que têm movimento de rotação e/ou carga elétrica, as coisas se complicam. Em particular, é possível cair num tal buraco negro e não atingir a singularidade.

Com efeito, o interior de um buraco negro rotacional ou carregado pode chegar a se “unir” com um buraco branco correspondente de forma tal que você poderia cair no buraco negro e sair pelo buraco branco. Esta combinação de buracos negros e brancos é chamada de buracos de minhoca.

O buraco branco pode mesmo estar a uma distância enorme do buraco negro; pode até estar num “universo diferente” – ou seja, uma região do espaço-tempo que, à excepção do próprio buraco de minhoca, não tem nenhuma conexão com a nossa própria região.

Um buraco de minhoca convenientemente localizado poderia, assim, oferecer um meio de transporte rapidíssimo a distâncias gigantescas, ou mesmo transporte para um outro Universo. Talvez a saída do buraco de minhoca esteja até mesmo localizada no passado, de modo que você poderia viajar ao passado atravessando-o. Tudo isto soa muito interessante, não é?

Mas antes que você apresente uma proposta de bolsa de investigação para procurar buracos de minhoca, existem algumas coisinhas que você deve saber.

Primeiro de tudo, esses buracos quase certamente não existem.

Como dissemos acima na seção sobre buracos brancos, simplesmente porque a solução matemática das equações é válida não quer dizer que ela exista na natureza. Em particular, buracos negros que se formam a partir do colapso de matéria comum (o que inclui todos os buracos negros que pensamos existir atualmente) não formam buracos de minhoca. Se você cair num desses, não vai sair num outro lado qualquer. Vai é atingir a singularidade, e pronto.

Além disso, mesmo se um buraco de minhoca se formasse, pensa-se que ele não seria estável. Até a menor perturbação (inclusive aquela causada pela sua tentativa de viajar através do buraco) poderia provocar o seu colapso.

Finalmente, mesmo que buracos de minhoca existam e sejam estáveis, são lugares muito pouco agradáveis para se viajar. A radiação que cai no buraco de minhoca, proveniente de estrelas próximas, radiação de microondas cósmica de fundo, etc., vai sofrendo desvios para o azul, portanto para freqüências muito elevadas. Ao tentar passar pelo buraco de minhoca você vai é terminar frito por esses raios X e gama.

Fonte: br.geocities.com/www.nasa.gov/ctjovem.mct.gov.br/www.astro.110mb.com