YouTube

Artigos Recentes

O que são os Buracos Negros?


- Artigo atualizado no dia 10 de abril de 2019 -

Compartilhe o artigo:



         Um Buraco Negro é um lugar do espaço onde a gravidade é tão forte que mesmo a luz não pode escapar dali. Frutos fundamentais da Teoria da Relatividade Geral (2) - elaborada pelo Físico Albert Einstein (1879-1955) - esses corpos são formados quando um colapso gravitacional ocorre, geralmente em estrelas muito massivas que estão em processo de "morte" (supernovas). Depois da explosão da estrela, onde grande parte do seu material é ejetado para o espaço, 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 uma região ínfima quando levado em conta a enorme massa original. Isso cria uma singularidade (no caso de buracos negros estáticos e esféricos) e um horizonte de eventos cercando-a. A absurda massa total de um buraco negro fica confinada em um espaço tão pequeno que as distorções no espaço-tempo são colossais, criando efeitos gravitacionais bastante intensos, especialmente em seu centro.

----------
(1) ATUALIZAÇÃO (10/04/19): Através de uma rede internacional de telescópios EHT (Event Horizon Telescope), astrônomos conseguiram, pela primeira vez, a imagem real de um buraco negro, no caso, de um supermassivo buraco negro localizado no centro da galáxia M87. O feito foi publicado no periódico Astrophysical Journal Letters. Para mais informações, acesse: Pela primeira vez, cientistas conseguem a real imagem de um Buraco Negro
-----------


           O colapso gravitacional ocorre porque o combustível das estrelas (energia liberada pela fusão nuclear entre átomos) diminui drasticamente (3). 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 espaço 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. Mesmo micro-buracos negros com o tamanho de um único átomo podem armazenar uma massa equivalente ao de uma grane montanha! Em aceleradores de partículas, também acredita-se que possam ser formados buracos negros ainda menores, detendo pouquíssima massa. Isso gerou grande preocupação entre o público, porque boatos infundados começaram a espalhar que esses equipamentos poderiam trazer o fim da Terra. Mas isso não faz sentido algum, já que buracos negros desse tamanho 'evaporariam' em frações infinitesimais de tempo.

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 de forma indireta. 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 (1). 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.

          Em um estudo recente publicado no The Astrophysical Journal Letters (Ref.10), pesquisadores reportaram a descoberta de 83 supermassivos buracos negros (associados a quasares) distantes 13,05 bilhões de anos-luz, ou seja, para a luz ter chegado aqui isso significa que eles são quase tão antigos quanto a origem do Universo (~5% da sua atual idade).

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

- Continua após o anúncio -



            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 Especial (2). 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 Geral. Essa singularidade teria um formato de anel, não ponto, no caso de buracos negros rotatórios (4). 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 em si não podem ser vistos diretamente - e até pouco tempo atrás só sabíamos da existência deles por causa dos efeitos gravitacionais sentidos pelos corpos celestes luminosos/iluminados à sua volta -, mas é possível a visualização direta do seu disco de acreção, o qual fica à sua volta.

               Nesse sentido, pode também ocorrer do Buraco Negro se apropriar da matéria de estrelas, planetas e nuvens de gás à sua volta, incorporando a massa "roubada" 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 incorporadas 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. Nesse sentido, é possível "vermos" os entornos do Buraco Negro durante esses processos de acréscimo de massa (seu disco de acreção).

Ilustração não-realista de jatos associados a buracos negros emitindo, em sua maioria, radiação de raios X

          Núcleo galático ativo (NGA) são regiões central de luminosidade que podem ultrapassar o brilho de populações inteiras de estrelas da sua galáxia hospedeira. Alguns desses objetos, quasares, são as fontes fixas mais luminosas no Universo e são pensadas de serem fomentadas pela matéria de acreção de buracos negros supermassivos a taxas muitos altas através de um geometricamente fino e opticamente grosso disco de acreção (algo confirmado recentemente na galáxia M87) (1). Em contraste, a maioria dos AGNs no universo local estão associados com supermassivos buracos negros alimentados por fluxos de acreção tênues e quentes com taxas de acreção muito mais baixas. E em vários AGNs, jatos relativísticos colimados de plasma lançados pelo buraco negro central contribuem para a emissão radiativa observada. Esses jatos pode ser alimentados tanto por campos magnéticos no limite do horizonte de eventos, extraindo a energia rotacional do buraco negro, ou a partir do fluxo de acreção. Galáxias com núcleos ativos de baixa luminosidade emitem radiação via síncrotron (5) em picos que vão do rádio até o infravermelho, oriundos do disco de acreção e/ou do jato.


            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, micro-buracos 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).

- Continua após o anúncio -



             Em 2015, cientistas trabalhando no EHT (Telescópio de Horizonte de Eventos, na sigla em inglês) parecem ter confirmado como os buracos negros conseguem consumir a matéria para dentro do seu sistema (Ref.9). A matéria que cai no disco de acreção 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, não conseguiria escapar devido aos próprios campos gravitacionais gerados no processo. Essa hipótese já existia desde 1970 (ou pelo menos inspirações da ideia), mas nunca tinha sido evidenciada.

----------
ATUALIZAÇÃO (10/05/19): No dia 26 de abril, às 15:22:17 UTC, os detectores do LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), nos EUA, e os detectores do observatório Virgo, na Itália, reportaram sinais de ondas gravitacional de um tipo não-usual, sugerindo o cenário de um buraco negro consumindo uma estrela de nêutrons (Ref.11). Se confirmado, será a primeira evidência de que tal sistema binário existe. Mas como os sinais são muito fracos, ainda existe a possibilidade de que seja apenas uma flutuação (ruído) no sistema de detecção.



----------

            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 em seu caminho. Esses corpos fazem parte de um sistema só seu, consumindo, eventualmente, matéria ao seu redor;

2. O nosso Sol, como já mencionado, não se tornará um buraco negro porque sua massa é relativamente pequena;

3. Um buraco negro não sai consumindo 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, os efeitos gravitacionais serão fortíssimos, aumentando cada vez mais à medida que vamos nos aproximando da sua Singularidade.

4. Por fim, é válido reforçar que 'Buracos Negros' não são 'buracos' no espaço, onde as coisas caem dentro dele. É sempre bom lembrar isso, porque a ideia de um "ralo" no meio do espaço é amplamente difundida. 

               
(2) Observação: As fusões nucleares que ocorrem nas estrelas envolvem primariamente os elementos hidrogênio (inicialmente) e hélio (posteriormente, caso a massa da estrela seja bem grande), por serem mais facilmente fundidos. Quando esses elementos começam a ficar 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, as estrelas podem ou se tornar Anãs Brancas, caso sejam pequenas (como o Sol), ou colapsarem em Buracos Negros ou Estrelas de Nêutrons (6), caso sejam grandes (7).

(4) 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
  10. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab0216/meta
  11. https://www.nature.com/articles/d41586-019-01377-2