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O que são os Buracos Negros?

   
        
           Um Buraco Negro é um lugar do espaço onde a gravidade é tão forte que mesmo a luz não pode escapar. Eles são formados quando um colapso gravitacional ocorre, primordialmente, em estrelas que estão em processo de "morte" (supernovas). Depois da explosão da estrela, onde grande parte do seu material é ejetado para o espaço sideral, se a massa remanescente for, no mínimo, 3-4 vezes a massa do Sol, sua pressão interna não resiste à sua própria gravidade, esmagando toda a massa em um ponto ínfimo comparado com a enorme massa original. Isso cria uma singularidade (no caso de buracos negros estáticos e esféricos) e um horizonte de eventos cercando-a. As massas ficam confinadas em um espaço tão curto (exceto para as supermassvias) que as distorções no espaço-tempo são colossais, criando efeitos gravitacionais bastante intensos, especialmente em seu centro. Esse é o buraco negro.

           O colapso ocorre porque o combustível das estrelas (as fusões nucleares entre os átomos) diminui drasticamente (1). Isso faz com que as temperaturas internas diminuam bastante devido à pouca disponibilidade de energia térmica. Com isso, as massas de matéria na estrela pós-explosão não possuem energia cinética suficiente para aguentarem as forças gravitacionais e de pressão exercidas pela sua própria massa. Isso faz com que tudo seja esmagado para o ponto ínfimo anteriormente mencionado. Existem, teoricamente, quatro tipos de buracos negros (em relação ao tamanho):

1. Microburacos Negros: esses podem ter o tamanho de um único átomo indo até 1 mm. Hipoteticamente, teriam se formado em grande quantidade durante o início do Universo, devido aos grandes choques de matéria por todo o espaço. Em aceleradores de partículas, também acredita-se que possam ser formados buracos negros mínimos, de pouquíssimas massas. Isso gerou um grande rumor de preocupações quanto à segurança desses equipamentos, os quais poderiam causar a destruição da Terra. Mas isso não faria muito sentido, já que buracos negros desse tamanho ´evaporariam´ em frações infinitesimais de tempo. Sobre os microburacos negros espalhados pelo Universo, mesmo os com o tamanho de um único átomo podem armazenar uma massa equivalente ao de uma grane montanha!

2. Buracos Negros Estelares: são, provavelmente, os mais comuns do Universo. Formados pela implosão de grandes estrelas ( processo descrito anteriormente) elas podem ter mais do que 20 vezes (com o mínimo de 3 a 4, como também falado anteriormente) a massa do Sol. Eles possuem um tamanho em torno de 30 km ( do tamanho de uma cidade como New York). É estimado que apenas na nossa galáxia, a Via Láctea, existam de 10 milhões à 1 bilhão de buracos negros desse tamanho, baseado no número de grandes estrelas presentes nela ( mortas ou não).

3. Buracos Negros Intermediários: São buracos negros maiores do que os estelares. Embora previstos, nunca foram efetivamente ´observados´. Podem ter origem do choque entre massivas estrelas, pelo acréscimo de matéria em uma já formado Buraco negro ou nos gigantescos, e supostamente comuns, colapsos gravitacionais nos primórdios do Universo. Eles são bem maiores 1000 massas de Sol, mas menores do que os Buracos Negros Supermassivos.

4. Buracos Negros Supermassivos: esses são verdadeiros monstros. Podem ter de centenas de milhares até dezenas de bilhões de massas solares! É estimado que tenham comprimentos enormes, variando de 0,001 a 400 AU ( 1 AU é a distância da Terra ao Sol)! Elas podem ser formadas pela união de vários buracos negros estelares, pelo contínuo acréscimo de massa nos Intermediários, caso exista uma grande fonte de matéria ao redor ( gigantescas nuvens de gás/nebulosas por perto). Como o raio dos Supermassivos é diretamente proporcional à sua massa, sua densidade acaba sendo inversamente proporcional ( maior o volume do Horizonte de eventos). Portanto, a densidade deles seria completamente oposta a dos buracos negros estelares, sendo  extremamente baixa ( no total). Poderiam ser menos densos do que a água. Se um ser humano ficasse na superfície do Horizonte de Eventos, ele sentiria um puxão gravitacional tão forte quanto o existente na superfície da Terra. Os efeitos gravitacionais estrondosos desses corpos só seriam sentidos nas proximidades do seu centro, indo em direção à singularidade. Hoje, acredita-se que no centro de grande parte das galáxias reside um buraco negro supermassivo. Na nossa Via Láctea, na sua região central que engloba Sagitário A+, é bem provável que exista um com massa estimada em mais de 4 milhões de Sóis.

No centro da nossa galáxia, e de quase todas as outras, acredita-se que exista um supermassivo buraco negro


            E existem dois tipos de buracos negros quanto à sua rotação: rotatórios e não-rotatórios. Os não-rotatórios não possuiriam rotação, ficando paradas em torno do seu próprio eixo. Os buracos negros rotatórios criariam uma região ao redor deles, chamada ergosfera, onde nada poderia ficar de modo estacionário caso fosse pego por ela. A única forma de vencer essa força de arraste seria alcançando velocidades maiores do que a luz, algo impossível considerando a Teoria da Relatividade. A forma dos buracos negros estacionários é quase uma perfeita esfera, enquanto o outro apresenta um formato meio achatado nos polos. No entanto, os rotatórios não tenderiam a ocorrer naturalmente, devido a problemas de conservação de momento em relação à sua estrela de origem.

               No centro dos Buracos Negros (não-rotatórios) existe um ponto onde a densidade é tão alta que se torna infinita. Essa é a chamada Singularidade, prevista pela Relatividade de Einstein. Essa singularidade teria um formato de anel, não ponto, no caso de buracos negros rotatórios. Ali, tempo e espaço não podem mais ser imaginados, e é próximo dali onde se acredita haver Buracos de Minhoca (nos rotatórios), capazes de transportar matéria desses corpos até outros pontos do Universo. Se um ser humano pudesse estar em contato próximo de tal ponto, seu corpo inteiro seria esmagado infinitamente. Dentro do horizonte de eventos, a região ao redor da Singularidade, e que compõe a maior parte do volume do Buraco Negro, nada pode escapar, inclusive a luz. A dilatação temporal é tão forte à medida que o centro vai se aproximando que a luz tende ir ao infravermelho (maiores comprimentos de onda, já que as partículas são desaceleradas enquanto tentam escapar), até se extinguir totalmente, escurecendo profundamente o corpo. É por isso que os Buracos Negros não podem ser vistos diretamente (pode existir uma forma de vê-los, explicarei abaixo), e só sabemos da sua provável existência por causa dos efeitos gravitacionais sentidos pelos corpos celestes luminosos/iluminados à sua volta.

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               Pode também ocorrer do Buraco Negro sugar a matéria de estrelas, planetas e nuvens de gás à sua volta, incorporando a mesma à sua massa. Quando isso acontece, a matéria é acelerada de uma forma violenta indo em direção ao seu horizonte de eventos (tanto através de jatos, quanto de discos), o que faz emitir radiações de alta energia que podem, eventualmente, escapar de serem sugadas por completo. Essa produção de energia seria a mais notável do Universo, onde até 40% da massa da matéria acelerada seria transformada em energia! Para se ter uma ideia, na fusão nuclear que alimenta as estrelas, apenas 0,7% da matéria é transformada em energia. Caso isso seja confirmado, seria possível "vermos" os entornos do Buraco Negro durante esses processos de acréscimos de massa.

Jatos emitindo, em sua maioria, radiação de raios X

            Dentro dos buracos negros, as temperaturas estariam muito próxima do zero absoluto. Um zero absoluto talvez não fosse possível porque, se eles estão a todo momento sugando matéria, a entropia deve aumentar para não quebrar a Segunda Lei da Termodinâmica. Um dos cientistas mais conhecidos da atualidade, Stephen Hawking, propôs que os Buracos Negros estariam emitindo, sim, radiação, bem fraca, continuamente. Isso salvaria a lógica da entropia. A emissão de radiação seria inversamente proporcional à sua massa, significando que buracos negros muito pequenos desapareceriam bem mais rapidamente do que os grandes (sim, com as propostas de Hawking, os buracos negros desapareceriam com o tempo!). Essa emissão de energia ficou conhecida como Radiação de Hawking. Com isso, microburacos negros poderiam desaparecer em períodos de tempo infinitesimais do segundo. Já Buracos muito grandes, como os Supermassivos, poderiam apenas crescer com o tempo, já que mesmo se o estoque de matéria de acréscimo acabasse, a radiação de fundo do Universo seria suficiente para mantê-los, porque esta, mesmo muito fraca, seria maior ainda do que a perda sofrida por esses corpos. Aliás, já que Buracos Negros emitem uma faixa de radiação, poderemos, no futuro, sermos capazes de vê-los com telescópios e sistemas de processamento de dados mais apurados. Isso é, se a teoria de Hawking for realmente comprovada (mas já é amplamente aceita no meio acadêmico).

             Ano passado, cientistas trabalhando no EHT (Telescópio de Horizonte de Eventos, na sigla em inglês) parecem ter confirmado como os buracos negros conseguem ´sugar´ a matéria para dentro do seu sistema (Ref.9). A matéria que cai no ´disco de acréscimo´ estaria gerando poderosos campos magnéticos que prenderiam tudo o que estivesse caindo no horizonte de eventos. Mesmo a matéria, na forma de gás, sendo acelerada à velocidades próximas da luz, ela não conseguiria escapar devido aos próprios campos gravitacionais gerados no processo. Essa teoria já existia desde 1970 (ou pelo menos inspirações da ideia), mas nunca tinha sido comprovada.


            Para finalizar essa superficial visita aos obscuro mundo dos buracos negros, é preciso desmistificar alguns mitos:

1. Os buracos negros não saem pulando de sistema em sistema espacial devorando tudo o que estiver muito próximo dele. Eles fazem parte de um sistema só seu, alimentando-se, eventualmente, de matéria ao seu redor;

2. O nosso Sol, como eu já disse anteriormente, não se tornará um buraco negro porque sua massa é bem pequena quando comparado com outras potenciais estrelas candidatas a tal processo;

3. Um buraco negro não sai puxando todos os corpos celestes que estiverem no seu sistema. Longe dele, sua gravidade é a mesma da sua massa total. Ou seja, se ele é formado por 5 massas solares, ele promoverá uma força gravitacional proporcional. Por isso, se houvesse um no centro do nosso Sistema Solar, talvez sentiríamos a gravidade experimentada por Saturno ou Júpiter em relação ao Sol. Já perto dele, especialmente dentro do seu horizonte de eventos, as gravidas se tornam altíssimas, aumentando vigorosamente à medida que aproximamos da sua Singularidade.

4. Por fim, é válido relembrar que ´Buracos Negros´ não são ´buracos´ no espaço, onde as coisas caem dentro dele. Mesmo isso tendo ficado claro no texto acima, é sempre bom reforçar isso. 

                 Portanto, podem dormir tranquilos porque nenhum Galactus irá vir te pegar...:)

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(1) Observação: As fusões nucleares que ocorrem nas estrelas, processadas em seu interior, são em sua grande maioria, feitas com os elementos hidrogênio (inicialmente) e hélio ( posteriormente, caso a massa da estrela seja bem grande), mais fáceis de serem fundidos com a grande gravidade estelar. Quando estes começam a ficar mais escassos os processos de fusão passam a ficar mais complicados, resultando em diminuição da energia gerada (elas ficam mais frias), já que é mais difícil fundir elementos cada vez mais pesados. Com o aumento da instabilidade energética, elas podem ou se tornar Anãs Brancas, caso sejam pequenas (como o Sol) ou colapsarem em Buracos Negros ou Estrelas de Neutrôns, caso sejam grandes.  O texto relacionado abaixo (Como são formados os elementos químicos) complementa esta explicação.

(2) Teoricamente também é possível que um buraco negro seja formado apenas pela sua singularidade, sem existir um horizonte de eventos ao seu redor. Conhecido como Naked Black Hole (Buraco Negro Pelado, na tradução literal), modelos computacionais o preveem no tipo rotatório, ou seja, naqueles criados pelo sistema métrico de Kerr.

  Artigos relacionados:

REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS
  1. http://www.nasa.gov/audience/forstudents/k-4/stories/nasa-knows/what-is-a-black-hole-k4.html
  2. http://spaceplace.nasa.gov/black-hole-rescue/en/
  3. http://www.nytimes.com/2015/06/09/science/black-hole-event-horizon-telescope.html
  4. http://lsag.web.cern.ch/lsag/LSAG-Report.pdf 
  5. http://www.dwc.knaw.nl/DL/publications/PU00012325.pdf
  6. http://www.phys.uu.nl/~thooft/lectures/blackholes/BH_lecturenotes.pdf 
  7. Bozza, V. (2010). "Gravitational Lensing by Black Holes". General Relativity and Gravitation 42 (42): 2269–2300
  8. McClintock, J. E.; Remillard, R. A. (2006). "Black Hole Binaries". In Lewin, W.; van der Klis, M. Compact Stellar X-ray Sources. Cambridge University Press.
  9. http://science.sciencemag.org/content/350/6265/1242.abstract