17 de abr de 2015

Como os buracos negros evaporam? Explicando a Radiação Hawking

Nada dura para sempre, nem mesmo os buracos negros. De acordo com Stephen Hawking, os buracos negros se evaporam durante vastos períodos de tempo. Mas como, exatamente, isso acontece?  O autor Stephen Hawking talvez seja mais conhecido por suas aparições em Futurama e Star Trek, mas muitos se surpreendendem ao descobrir que ele também é um astrofísico teórico. Recentemente, foi lançado o filme "Teoria de Tudo" que conta uma pequena biografia de Hawking. Há alguma coisa esse cara não possa fazer?

Uma das teorias mais fascinantes com que ele traz é que os buracos negros, os imponentes do universo, na verdade podem evaporar durante vastos períodos de tempo.

A Teoria Quântica sugere que há partículas virtuais (flutuações quânticas de vácuo) estourando dentro e fora da existência, o tempo todo. Quando isso acontece, surge uma partícula e sua antipartícula, e então elas se recombinam e desaparecerem de novo. Quando isto ocorre perto de um horizonte de eventos, coisas estranhas acontecem. Em vez das duas partículas existirem por um momento e então aniquilar umas com as outras, uma partícula pode cair dentro do buraco negro, e a outra partícula pode voar para o espaço. Ao longo de grandes períodos de tempo, a teoria diz que este gotejamento de escapar partículas faz com que o buraco negro se evapore.


Mas espere, se estas partículas virtuais estão caindo dentro do buraco negro, isso não deveria fazê-lo com que sua massa crescesse? Como isso faz com que ele evarope? Se eu adicionar pedras de uma pedreira, minha pilha de rocha não ficaria maior?  Resume a perspectiva. Do ponto de vista de um observador externo olhando horizonte de eventos do buraco negro, parece como se houvesse um brilho de radiação proveniente do buraco negro. Se isso era tudo o que estava acontecendo, violaria a lei da termodinâmica, uma vez que a energia pode ser criada nem destruída. Como o buraco negro está agora emitindo energia, precisa-se de um pouco de sua massa para fornecê-la. Vamos tentar outra maneira de pensar sobre isso. Um buraco negro tem uma temperatura. Quanto mais massivo ele for, menor sua temperatura, embora não seja ainda zero. A partir de agora e até bem longe no futuro, a temperatura dos maiores buracos negros serão mais frias que a temperatura do fundo do próprio universo. A Luz da Radiação Cósmica de Fundo vai cair, aumentando sua massa.

Video: How do black holes evaporate?
Visualizado em luz visível, o 739 Markarian se assemelha a um rosto sorridente. No interior estão dois buracos negros supermassivos, separados por cerca de 11.000 anos-luz. A galáxia está a 425 milhões anos-luz da terra. Crédito: Sloan Digital Sky Survey



Agora, avance para quando a temperatura do fundo do universo cair abaixo até mesmo os buracos negros mais frios. Então, eles lentamente vão irradiar o calor, que deve vir do buraco negro convertendo sua massa em energia. A velocidade com que isso acontece depende da massa. Para buracos negros com massa estelares, pode levar 10^67 (10 elevado à 67) anos para que ele evapore completamente. Já para o maior dos maiores dos buracos negros supermassivos dos núcleos de galáxias, o número passaria  para 10^100. Isso é um 1, seguido por 100 zero de anos.

Esse é o número enorme, mas assim como qualquer número gigantesco ele é finito, é ainda menos que infinito. Assim, ao longo de uma incompreensível quantidade de tempo, mesmo a mais longa vida de objetos do universo – nossos poderosos buracos negros – vão desaparecer em energia.
Uma última coisa, o Grande Colisor de Hádrons pode ser capaz de gerar os buracos negros microscópicos, que iriam durar por uma fração de segundo e desaparecerem em uma explosão de radiação de Hawking.

Nada é eterno, nem buracos negros
Sobre os quadros de tempo mais longos... nós temos certeza que eles vão evaporar-se além e para o nada. Escanteando nossa frágil e limitada condição e tempo de vida aqui na Terra, a única maneira de descobrir é sentar e assistir.
Fonte: Misterios do Universo.net





Nosso universo pode ter surgido de um buraco negro hiper dimensional



A teoria padrão da gravidade (relatividade geral) descreve o nosso universo como uma geometria do espaço quadridimensional, com três espaciais e uma dimensão extra de tempo. Isso às vezes é conhecido como "3+1" e nos dá uma descrição muito precisa do universo que observamos. Mas os teóricos gostam de brincar com modelos alternativos para ver como eles diferem da relatividade geral. Eles podem olhar para um espaço "2 + 1" (tridimensional), ou um 2+2 (quadridimensional) com duas dimensões de tempo. Não há necessariamente nada "real" sobre estes modelos, e certamente não há nenhuma evidência experimental para apoiar qualquer coisa diferente do universo quadridimensional, mas modelos alternativos são úteis porque nos ajudam a ganhar uma compreensão mais profunda da relatividade. Neste artigo particular, os cientistas estavam explorando um hipotético universo de cinco dimensões, com 4 dimensões espaciais e 1 de tempo.

Em 2000, uma equipe de autores propuseram um modelo onde um universo quadridimensional poderia ser tratado como uma membrana dentro de um universo com cinco dimensões. É semelhante à maneira como um universo tridimensional pode ser uma superfície de 2 dimensões dentro do nosso universo. No documento de 2000, os autores mostraram que um universo de 5 dimensões poderia dar origem ao tipo de gravidade que vemos. O novo modelo nos leva um pouco mais longe. Nele, os autores mostram que um universo de 5 dimensões permite a existência de buracos negros. Portanto, se tal universo teve grandes estrelas, algumas dessas estrelas podem entrar em colapso em um "hiper buraco negro" de 4 dimensões.

Como os buracos negros na relatividade geral, estes hiper buracos negros teriam uma "singularidade" central extremamente densa e quente . Os autores, em seguida, mostraram que um hiper buraco negro com as condições adequadas não só poderia criar uma membrana tridimensional, mas ficaria muito semelhante ao início do universo que realmente observamos. Em outras palavras, se imaginarmos um universo com 5 dimensões, e se tal universo pudesse criar estrelas que colapsam em hiper buracos negros, e se um buraco negro hiper especial teve a energia necessária, então tais buracos negros podem produzir um universo quadridimensional com um começo que se parece com um big bang.

Só para ficar claro, este é um bom trabalho teórico. O modelo é interessante, e mostra uma ligação curiosa entre o universo que observamos e a gravidade de dimensões superiores. Também poderia abordar algumas das questões em cosmologia, mas também prevê que o universo é plano, o que pode não ser o caso. Os autores observam este problema, e têm o cuidado de não fazer afirmações gerais. Mas atualmente não há evidências experimentais que sustentem dimensões superiores às que conhecemos, muito menos hiper buracos negros. Portanto, não leve essa hipótese como uma teoria comprovada empiricamente.

As galáxias gigantes morrem de dentro para fora



Observações do VLT e do Hubble mostram que a formação estelar “desliga-se” primeiro nos centros das galáxias elípticas
A formação estelar em galáxias que estão agora “mortas” desligou-se há bilhões de anos atrás. O Very Large Telescope do ESO e o Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA revelaram que três bilhões de anos após o Big Bang, estas galáxias ainda formavam estrelas nas suas periferias, mas isso já não acontecia nos seus interiores. O desligar da formação estelar parece ter-se iniciado nos núcleos das galáxias, espalhando-se depois para as regiões mais externas. Este diagrama ilustra este processo. Galáxias do Universo primordial situam-se à esquerda no diagrama. As regiões azuis são onde a formação estelar se encontra ativa e as regiões vermelhas mostram as regiões “mortas” das galáxias, ou seja, onde existem apenas estrelas velhas vermelhas e não se formam já estrelas jovens azuis. As galáxias esferoidais que resultam do processo e se encontram no Universo atual estão do lado direito do diagrama. Crédito:ESO

Astrônomos mostraram pela primeira vez como é que a formação estelar em galáxias “mortas” se desligou há bilhões de anos atrás. O Very Large Telescope do ESO e o Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA revelaram que três bilhões de anos após o Big Bang, estas galáxias ainda formavam estrelas nas suas periferias, mas isso já não acontecia nos seus interiores. O desligar da formação estelar parece ter-se iniciado nos núcleos das galáxias, espalhando-se depois para as regiões mais externas. Estes resultados serão publicados a 17 de abril de 2015 na revista Science. Um dos principais mistérios da astrofísica prende-se com o facto de saber como é que as galáxias elípticas massivas adormecidas, bastante comuns no Universo atual, extinguiram as suas antes intensas taxas de formação estelar.

Tais galáxias colossais, muitas vezes também chamadas esferóides devido à sua forma, possuem tipicamente dez vezes mais estrelas nas suas regiões centrais do que as que tem a nossa galáxia, a Via Láctea, e contêm também cerca de dez vezes mais massa. Os astrônomos referem-se a estas galáxias como sendo vermelhas e mortas, uma vez que possuem uma enorme abundância de estrelas vermelhas velhas, mas falta-lhes estrelas azuis jovens, e não mostram sinais de formação estelar recente. As idades estimadas das estrelas vermelhas sugerem que as suas galáxias hospedeiras deixaram de formar novas estrelas há cerca de dez bilhões de anos atrás.

Este desligar da formação estelar começou logo após o pico de formação estelar no Universo, quando muitas galáxias ainda estavam formando estrelas a uma taxa cerca de vinte vezes maior do que atualmente. Estas galáxias esferóides muito massivas contêm cerca de metade de todas as estrelas que o Universo produziu durante toda a sua vida”, disse Sandro Tacchella do ETH Zurich na Suíça, autor principal do artigo que descreve estes resultados. Não podemos dizer que compreendemos como é que o Universo evoluiu e se tornou no que hoje é, se não compreendermos primeiro como é que estas galáxias evoluíram”.
A galáxia elíptica IC 2006
Esta imagem obtida pelo Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA mostra a galáxia elíptica conhecida como IC 2006. As galáxias elípticas massivas são bastante comuns no Universo atual, mas como é que estas galáxias “desligaram” as suas taxas de formação estelar, que eram bastante elevadas no passado, permanece um mistério da astrofísica. Agora o Very Large Telescope do ESO e o Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA revelaram que três bilhões de anos após o Big Bang, estas galáxias ainda formavam estrelas nas suas periferias, mas isso já não acontecia nos seus interiores. O desligar da formação estelar parece ter-se iniciado nos núcleos das galáxias, espalhando-se depois para as regiões mais externas. Crédito:ESA/Hubble & NASA

Tacchella e colegas observaram um total de 22 galáxias de massas diferentes, numa época que corresponde a cerca de três bilhões de anos depois do Big Bang .
O instrumento SINFONI montado no Very Large Telescope do ESO (VLT) coletou radiação desta amostra de galáxias, mostrando de modo preciso onde é que se encontravam as estrelas recém formadas. O SINFONI pode fazer estas medições detalhadas de galáxias distantes graças ao seu sistema de ótica adaptativa, que consegue cancelar a maior parte dos efeitos de distorção da atmosfera terrestre.

Os pesquisadores apontaram também o
Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA à mesma amostra de galáxias, tirando partido da posição do telescópio no espaço, acima da atmosfera do nosso planeta.  câmara WFC3 do Hubble obteve imagens no infravermelho próximo, revelando a distribuição espacial das estrelas mais velhas nestas galáxias. O que é extraordinário é que o sistema de ótica adaptativa do SINFONI pode contrabalançar em grande parte os efeitos atmosféricos e nos dizer onde é que as novas estrelas estão nascendo, fazendo-o com a mesma precisão com que o Hubble nos dá a distribuição de massas estelares”, comenta Marcella Carollo, também do ETH Zurich e co-autora do estudo.

De acordo com os novos dados, as galáxias mais massivas da amostra mantiveram uma produção estável de novas estrelas nas suas periferias. Contudo, nos seus centros densamente povoados, a formação estelar já se encontrava desligada nesta época. Esta interrupção da formação estelar ocorrendo de dentro para fora em galáxias massivas, agora demonstrada, deverá ajudar-nos a compreender os mecanismos subjacentes envolvidos, os quais têm sido extensivamente debatidos desde há muito tempo na comunidade astronômica“, diz Alvio Renzini, do Observatório de Pádua, Instituto Nacional de Astrofísica italiano.

Uma teoria promissora para explicar este fenômeno é que os materiais necessários à formação das estrelas são espalhados por enxurradas de energia liberadas pelo buraco negro supermassivo central da galáxia, à medida que este devora enormes quantidades de matéria. Outra ideia diz que o gás deixa de fluir para o interior da galáxia, deixando-a sem combustível para formar novas estrelas e transformando-a num esferóide vermelho e morto. Há muitas sugestões teóricas diferentes para explicar os mecanismos físicos que levaram à morte destes esferóides massivos”, diz a co-autora Natascha Förster Schreiber, do
Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik em Garching, Alemanha. Descobrir que a extinção da formação estelar começou nos centros, tendo depois progredido para o exterior da galáxia é um passo muito importante para compreender como é que o Universo se transformou no que hoje é”.
Fonte: ESO

ALMA revela campo magnético intenso próximo de buraco negro supermassivo

Iluminando os mecanismos misteriosos na borda do horizonte de eventos
Esta concepção artística mostra o meio circundante de um buraco negro supermassivo típico, como muitos dos que se encontram no coração de muitas galáxias. O buraco negro propriamente dito está rodeado por um brilhante disco de acreção de material muito quente caindo no buraco negro e mais longe encontra-se o toro de poeira. Vemos também frequentemente jatos de matéria lançados a altas velocidades a partir dos polos do buraco negro, que podem estender-se até enormes distâncias no espaço. Observações obtidas com o ALMA detectaram um campo magnético muito intenso próximo do buraco negro, na base dos jatos, estando este campo muito provavelmente envolvido na produção dos jatos e sua colimação.Crédito:ESO/L. Calçada

O Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) revelou um campo magnético extremamente potente, muito além do que tinha sido anteriormente detectado no núcleo de uma galáxia, muito próximo do horizonte de eventos de um buraco negro supermassivo. Esta nova observação ajuda os astrônomos a compreender melhor a estrutura e formação destes habitantes massivos dos centros das galáxias e os jatos gêmeos de plasma que frequentemente ejetam a alta velocidade dos seus polos. Estes resultados serão publicados a 17 de abril de 2015 na revista Science.
Os buracos negros supermassivos, frequentemente com massas de bilhões de vezes a do Sol, situam-se no coração da maior parte das galáxias existentes no Universo. Estes buracos negros podem acretar enormes quantidades de matéria sob a forma de um disco que os rodeia.

Enquanto a maioria desta matéria alimenta o buraco negro, uma parte pode escapar momentos antes de ser capturada, sendo lançada no espaço com velocidades próximas da velocidade da luz sob a forma de um jato de plasma. A maneira como isto acontece não é muito bem compreendida, embora se pense que campos magnéticos fortes atuando muito próximo do horizonte de eventos tenham um papel crucial no processo, ajudando a matéria a escapar das “mandíbulas escancaradas da escuridão”.

Até agora, tinham se observado apenas campos magnéticos fracos longe dos buracos negros - a vários anos-luz de distância. No entanto, astrônomos da
Universidade de Tecnologia Chalmers e do Observatório Espacial Onsala na Suécia, utilizaram o ALMA para detectar sinais diretamente relacionados com um campo magnético intenso localizado muito perto do horizonte de eventos do buraco negro supermassivo da galáxia distante PKS 1830-211. Este campo magnético situa-se precisamente no local onde a matéria é lançada repentinamente para longe do buraco negro sob a forma de um jato. A equipe mediu a intensidade do campo magnético através da polarização da radiação, à medida que esta se afastava do buraco negro.

A polarização é uma propriedade importante da luz muito usada na vida diária, por exemplo nos óculos de sol ou nos óculos 3D no cinema”, diz Ivan Marti-Vidal, o autor principal deste trabalho. Quando produzida naturalmente, a polarização pode ser usada para medir campos magnéticos, uma vez que a radiação muda a sua polarização quando viaja através de um meio magnetizado. Neste caso, a radiação detectada pelo ALMA viajou através da matéria situada muito próximo do buraco negro, um local cheio de plasma altamente magnetizado”.  Os astrônomos aplicaram uma nova técnica de análise desenvolvida para os dados ALMA e descobriram que a direção da polarização da radiação vinda do centro da PKS 1830-211 girou. Estes foram os comprimentos de onda mais curtos já usados neste tipo de estudo, o que permitiu que se investigassem regiões muito próximas do buraco negro central.

Descobrimos sinais claros da rotação da polarização, que são centenas de vezes maiores do que os maiores já encontrados no Universo”, diz Sebastien Muller, co-autor do artigo científico que descreve estes resultados. “A nossa descoberta constitui um enorme passo à frente em termos de frequência observada, graças ao uso do ALMA, e em termos de distância ao buraco negro onde estudámos o campo magnético - da ordem de apenas alguns dias-luz do horizonte de eventos. Estes resultados, assim como estudos futuros, ajudarão a perceber o que é que se passa realmente na vizinhança imediata dos buracos negros supermassivos.”
Fonte: ESO
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