YouTube

Artigos Recentes

O que são os Buracos Negros?


- Atualizado no dia 3 de agosto de 2020 -

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) - desenvolvida 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 partículas constituintes da 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):

I. Micro-Buracos Negros: Esses buracos negros podem ter o tamanho de um único átomo indo até 1 mm. Teoricamente, 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.

II. Buracos Negros Primordiais (PBHs): Os PBHs emergem via densidades nos primórdios do Universo e, como resultado, podem ser substancialmente menos massivos do que um buraco negro estelar. Os PBHs são intrigantes corpos formados a partir de flutuações de densidade durante o domínio radioativo do Universo, devido a um aumento na energia primordial espectral. Possuem massas que podem variar muito, incluindo entre o espectro de micro-buracos negros e de buracos negros estelares. Cientistas desconfiam que possa existir um PBH dentro do nosso sistema estelar, com uma massa em torno de 5 vezes aquela da Terra: Existe um nono planeta no Sistema Solar?

III. Buracos Negros Estelares: são, provavelmente, os mais comuns do Universo. Formados pelo colapso gravitacional de estrelas muito massivas (processo descrito anteriormente), esses buracos negros podem ter mais do que 20 vezes (com o mínimo de 3 a 4 vezes) a massa do Sol. Esses corpos 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).

IV. 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 um buraco negro já formado, fusão entre buracos negros, ou nos catastróficos, e supostamente comuns, colapsos gravitacionais nos primórdios do Universo. Esses corpos possuem uma massa entre 100 e 100000 massas solares, mas menores do que os buracos negros supermassivos.

-----------
(!) ATUALIZAÇÃO (03/09/20): Astrônomos detectaram - via ondas gravitacionais (O que são as Ondas Gravitacionais?) - a mais poderosa e a mais distante colisão de buracos negros até o momento registrada. O evento ocorreu quando o universo possuía cerca de metade da sua atual idade (~13,5 bilhões de anos), e um dos buracos negros possuía uma massa 85 vezes maior do que aquela do Sol. A fusão resultante produziu um buraco negro com 150 massas solares, e deixando um buraco negro remanescente com 140 massas solares. Ou seja, a primeira confirmação de um buraco negro intermediário. A detecção ocorreu no dia 21 de maio de 2019, pelos detectores gêmeos do LIGO (Observatório de Ondas-Gravitacionais por Interferômetro a Laser) nos EUA e pelo observatório Virgo, próximo de Pisa, Itália. O evento - chamado de GW190521 - foi descrito em dois estudos publicados nos periódicos Physical Review Letters (Ref.12) e The Astrophysical Journal Letters (Ref.13).
----------

V. 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)! Esses corpos podem ser formados 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% mais novos).

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 rotação desses corpos: rotatórios e não-rotatórios (estáticos). Os não-rotatórios (Buracos Negros de Schwarzschild) não possuem rotação, ficando parados em torno do seu próprio eixo. Os buracos negros rotatórios (Buracos Negros de Kerr) criam uma região ao redor deles, chamada ergosfera. Nada que caia na ergosfera permanece em modo estacionário. A única forma de vencer a força de arraste nessa região seria alcançando velocidades maiores do que a luz, algo impossível de acordo com a Teoria da Relatividade Especial (2). A forma dos buracos negros não-rotatórios é quase uma perfeita esfera, enquanto o outro apresenta um formato meio achatado nos polos. No entanto, os não-rotatórios não tendem a ocorrer naturalmente, devido a problemas de conservação de momento em relação à estrela progenitora (geralmente, objetos estelares colapsando possuem rotação). Por isso os buracos negros rotatórios são conhecidos como 'Buracos Negros Astrofísicos'.

              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 não-rotatórios (4). Ali, tempo e espaço não podem mais ser mais descritos, 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. 

          Devido ao Horizonte de Eventos, os Buracos Negros em si não podem ser vistos diretamente - e até pouco tempo atrás só sabíamos da existência desses corpos 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.

            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 energética 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 seja possível porque, se esses corpos estão a todo momento incorporando matéria, a entropia deve aumentar para não se violar a Segunda Lei da Termodinâmica. O notório e recentemente falecido Físico Stephen Hawking propôs que os Buracos Negros estariam emitindo radiação, bem fraca, continuamente, ajudando a salvar a validade da 2° Lei. A emissão de radiação seria inversamente proporcional à massa, significando que buracos negros muito pequenos desapareceriam bem mais rapidamente do que os grandes (sim, com a proposta teórica de Hawking, os buracos negros desapareceriam com o tempo!). Essa emissão de energia ficou conhecida como Radiação de Hawking.

             Nesse sentido, 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 proposta teórica de Hawking estiver correta (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 suportada por evidência astronômica.

----------
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 breve explicação sobre o que sabemos sobre os buracos negros, é relevante o esclarecimentos de alguns mitos:

i. 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;

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

iii. 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, o buraco negro 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.

iv. 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
  12. https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.125.101102
  13. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aba493