Buracos Negros

 O que é um buraco negro? 

Quando uma estrela ficar sem combustível nuclear, ela entrará em colapso. Se o núcleo, ou região central, da estrela tem uma massa maior que três Sóis, nenhuma força nuclear conhecida pode impedir que o núcleo forme uma profunda dobra gravitacional no espaço chamada buraco negro.

Um buraco negro não tem uma superfície no sentido usual da palavra. Há simplesmente uma região, ou fronteira, no espaço em torno de um buraco negro além do qual não podemos ver. Este limite é chamado de horizonte de eventos. O raio do horizonte de eventos (proporcional à massa) é muito pequeno, apenas 30 quilômetros para um buraco negro não giratório com a massa de 10 Sóis.

Qualquer coisa que passe além do horizonte de eventos está condenada a ser esmagada à medida que desce cada vez mais fundo no poço gravitacional do buraco negro. Nenhuma luz visível, nem raios-X, nem qualquer outra forma de radiação eletromagnética, nem qualquer partícula, não importa quão energética, possa escapar.

O que sabemos sobre os buracos negros?

Os buracos negros são o resultado de algum corpo celeste que sofreu um grande colapso gravitacional. Esses corpos celestes podem apresentar tamanhos bastante variados, que vão de alguns metros a quilômetros, já as suas massas podem ser milhões de vezes maiores que a do Sol.

Os buracos negros distorcem o espaço com sua imensa gravidade, isso faz com que a luz que viaja nas proximidades deles seja defletida em sua direção, dando origem a fenômenos como a lente gravitacional.

Diferentemente do que muitos pensam, os buracos negros não sugam toda a matéria ao seu redor, para que isso aconteça, é necessária uma distância mínima conhecida como horizonte de eventos. Caso alguma porção de matéria ou até mesmo um raio de luz adentrem o horizonte de eventos de um buraco negro, eles serão atraídos, por um campo gravitacional intenso, em direção ao centro do buraco negro, em uma região conhecida como singularidade.

Teoricamente não é possível observar nada que se encontre além do horizonte de eventos de um buraco negro, uma vez que a velocidade de escape dessa região é superior à própria velocidade da luz, por isso o que torna possível a detecção de um buraco negro é a presença dos discos de acreção. Os discos de acreção são formados de gases absorvidos pelo buraco negro, quando aceleradas, as partículas do gás emitem radiação detectável até adentrarem o horizonte de eventos.

Dizer que nada escapa de um buraco negro é errado. De acordo com estudos do físico inglês Stephen Hawking, sabemos que os buracos negros emitem radiação térmica devido a efeitos quânticos. Essa radiação ficou conhecida como radiação Hawking, sobre a qual discutiremos mais adiante.

De onde surgem os buracos negros?

Os buracos negros parecem ser o estágio final da vida de estrelas supermassivas. Quando chegam a seus últimos bilhões de anos de vida, todo o combústivel das estrelas supermassivas torna-se escasso, dessa maneira, as forças gravitacionais tendem a compactá-la cada vez mais.

Durante essa compactação, conhecida como colapso gravitacional, o núcleo da estrela passa a aquecer cada vez mais, passando, assim, a fundir elementos cada vez mais pesados, como o carbono e o ferro. Nesse ponto, o núcleo da estrela torna-se instável e sofre uma expansão violenta, lançando toda a matéria externa da estrela a velocidades próximas à da luz, esse processo é conhecido como supernova.

Depois da ocorrência da supernova, há duas possibilidades. A primeira, quando a estrela não é tão massiva, resulta em um pequeno núcleo superdenso, brilhante e extremamente quente, de poucos quilometros de diâmetro e de densidade incrivelmente alta, em outras palavras, a morte de uma estrela de massa intermediária pode dar origem a uma estrela de nêutrons. No outro extremo, caso a estrela seja supermassiva, o colapso gravitacional continua até que toda a matéria do núcleo estelar confine-se em uma região extremamente pequena, criando assim um buraco negro.

Descoberta dos buracos negros

Embora já tivessem sido imaginados no século XVIII, os buracos negros foram previstos pela teoria geral da relatividade somente em 1916, por Karl Schwarzschild, entretanto, a primeira observação direta de um buraco negro só foi possível no ano de 2019, graças a um experimento de colaboração internacional conhecido como Event Horizon Telescope.

Embora a primeira observação direta de um buraco negro tenha sido tão recente, os físicos já consideravam a existência desses corpos celestes há muito tempo, por conta de observações indiretas. Entenda algumas das evidências que sugeriam a existência dos buracos negros:

Em diversas ocasiões, telescópios foram capazes de captar imagens de estrelas e até mesmo planetas orbitando regiões “vazias” do espaço, sem brilho algum.

Em algumas imagens captadas por telescópios, é possível observar a imagem de uma mesma estrela diversas vezes, isso acontece porque os buracos negros deformam o espaço, defletindo a direção dos raios de luz, como faria uma lente, por isso damos o nome a esse fenômeno de lente gravitacional.

No ano de 2015, o observatório de ondas gravitacionais LIGO foi capaz de detectar a existência de ondas gravitacionais com base em um evento de fusão entre dois buracos supermassivos. Nessa ocasião de extrema raridade, colidiram-se singularidades de massas iguais a 36 sóis e 29 sóis, resultando em distúrbios gravitacionais que puderam ser detectados mesmo aqui da Terra, a bilhões de anos-luz.

Stephen Hawking e os buracos negros

Stephen Hawking foi um físico britânico de grande importância para o nosso entendimento atual sobre o Universo e, especificamente, sobre os buracos negros. De acordo com os postulados teóricos deixados por ele, os buracos negros deveriam ser capazes de emitir radiação, mesmo que isso contrariasse o próprio conceito de buraco negro.

Tal radiação diz respeito à radiação térmica que escapa do buraco negro, uma vez que esse corpo não se encontra na temperatura do zero absoluto, sendo, portanto, passível de emitir radiação devido a efeitos quânticos que surgem na fronteira entre o espaço e o horizonte de eventos do buraco negro.

Anatomia de um Buraco Negro Supermassivo: 

Buracos negros supermassivos com a massa de muitos milhões de estrelas são pensados para estar no centro da maioria das grandes galáxias. A evidência vem de observações ópticas e de rádio que mostram um aumento acentuado nas velocidades das estrelas ou nuvens de gás orbitando os centros das galáxias.

Altas velocidades orbitais significam que algo massivo está criando um poderoso campo gravitacional que está acelerando as estrelas. Observações de raios-X indicam que uma grande quantidade de energia é produzida nos centros de muitas galáxias, presumivelmente pela queda da matéria em um buraco negro.

disco de acreção 

Um disco de gás e poeira que pode se acumular em torno de um centro de atração gravitacional, como uma estrela normal, uma anã branca, estrela de nêutrons ou buraco negro. À medida que o gás espira devido ao atrito, ele se torna quente e emite radiação.

horizonte de eventos 

Superfície esférica imaginária em torno de um buraco negro, com raio igual ao raio de Schwarzschild, dentro do qual nenhum evento pode ser visto, ou conhecido por um observador externo.

singularidade 

Um ponto no universo onde a densidade da matéria e o campo gravitacional são infinitos, como no centro de um buraco negro.

Jato relativístico 

Um poderoso jato de radiação e partículas viajando perto da velocidade da luz.

Perguntas e Respostas

Como os buracos negros são criados? 

Em geral, os buracos negros são criados sempre que a matéria suficiente é espremida em um espaço pequeno o suficiente. Para transformar a Terra em um buraco negro, teríamos que comprimir toda a sua massa em uma região do tamanho de uma bola de gude! Buracos negros de massa estelar são formados quando uma estrela maciça (mais de 25 vezes a massa do nosso Sol) fica sem combustível e seu núcleo entra em colapso. A formação de buracos negros supermassivos é mais misteriosa. Eles podem ser criados quando buracos negros de massa estelar se fundem e devoram matéria em suas proximidades, ou pelo colapso de nuvens gigantes de poeira e gás.

Telescópios de raios-X podem ver um buraco negro? 

Nenhuma luz de qualquer tipo, incluindo raios-X, pode escapar de dentro do horizonte de eventos de um buraco negro. Os raios-X que Chandra observa nas proximidades dos buracos negros são de matéria próxima ao horizonte de eventos dos buracos negros. A matéria é aquecida a milhões de graus enquanto é puxada em direção ao buraco negro, por isso brilha em raios-X.

Como você encontra buracos negros com Chandra se você não pode vê-los? 

Procurar buracos negros é um negócio complicado. Uma maneira de localizar buracos negros é procurar a radiação X de um disco de gás quente girando em direção a um buraco negro. O atrito entre as partículas no disco aquece-as a muitos milhões de graus, e elas produzem raios-X. Tais discos foram encontrados em sistemas estelares binários compostos de uma estrela normal em uma órbita próxima em torno de um buraco negro de massa estelar e, em uma escala muito maior, em torno dos buracos negros supermassivos nos centros das galáxias.

O que acontece com os objetos quando eles se aproximam demais de um buraco negro? 

Objetos podem orbitar um buraco negro sem consequências graves, desde que o tamanho de sua órbita seja muito maior do que o diâmetro do horizonte de eventos de um buraco negro, que é de cerca de 30 quilômetros para um buraco negro estelar, e muitos milhões de quilômetros para um buraco negro supermassivo. Mas, se algum objeto se aproximar demais, sua órbita se tornará instável e o objeto cairá no buraco negro.

Toda a matéria está no disco em torno de um buraco negro condenado a cair no buraco negro? 

Não, às vezes o gás escapa como um vento quente que é soprado para longe do disco em altas velocidades. Ainda mais dramáticos são os jatos de alta energia que as observações de raios-X e rádio mostram explodindo longe das proximidades de alguns buracos negros supermassivos. Esses jatos podem se mover quase à velocidade da luz em vigas apertadas e podem viajar centenas de milhares de anos-luz.

Os buracos negros crescem quando a matéria cai neles? 

Sim, a massa do buraco negro aumenta pela quantidade de massa que foi capturada. Para um buraco negro de massa estelar, o raio do horizonte de eventos aumenta cerca de 3 quilômetros para cada massa solar capturada.

Há limites para o crescimento dos buracos negros? 

Teoricamente, os buracos negros podem crescer sem limite. No entanto, no Universo, os buracos negros não têm uma oferta infinita de alimentos! Cedo ou tarde eles consumirão toda a matéria dentro de seu alcance gravitacional. O material mais distante pode ser afetado pelo campo gravitacional do buraco negro, pois nós, na Terra, somos afetados pelo enorme buraco negro no centro da Via Láctea, mas não passará do horizonte de eventos.

A matéria pode voltar de um buraco negro? 

Não, mesmo que a matéria fosse capaz de se mover à velocidade da luz, ela não poderia escapar uma vez que passasse pelo horizonte de eventos. Isso ocorre porque o campo gravitacional dentro de um buraco negro é tão forte que o espaço é curvado em si mesmo. Qualquer coisa que caia em um buraco negro é capaz de viajar em uma direção apenas — em direção à singularidade (um ponto de densidade infinita onde as leis da física como as conhecemos quebram) no centro. 

Stephen Hawking mostrou que a teoria quântica implica que os buracos negros devem emitir radiação. Prevê-se que esta radiação seja extremamente fraca e indetectável, exceto por buracos negros hipotéticos com a massa menor que a de um cometa, e ainda não foi observada.

Fontes: mundoeducacao

chandra.si.edu