Buraco negro
Um buraco negro é uma região do espaço da qual nada pode escapar, de acordo com a teoria geral da relatividade, é o resultado da curvatura do tempo espacial causada por uma enorme massa. Em torno de um buraco negro há uma posição de não retorno, chamada de horizonte de eventos. Chama-se "preto" porque absorve toda a luz que o atinge, não refletindo nada, assim como um corpo preto perfeito em termodinâmica.
Sob a teoria da mecânica quântica, os buracos negros têm uma temperatura e emitem radiação Hawking, o que os torna lentamente menores.
Um buraco negro é encontrado por sua interação com a matéria. A presença de um buraco negro pode ser inferida pelo rastreamento do movimento de um grupo de estrelas que orbitam uma região no espaço. Alternativamente, quando o gás cai em um buraco negro causado por uma estrela ou nebulosa companheira, a espiral de gás entra, aquecendo a temperaturas muito altas e emitindo grandes quantidades de radiação. Esta radiação pode ser detectada a partir de telescópios terrestres e de órbita terrestre.
Os astrônomos também encontraram evidências de buracos negros supermassivos no centro de quase todas as galáxias. Depois de observar o movimento das estrelas próximas por 16 anos, em 2008 os astrônomos encontraram evidências convincentes de que um buraco negro supermassivo de mais de 4 milhões de massas solares está próximo à região de Sagitário A* no centro da galáxia Via Láctea. Dentro de um buraco negro, as regras da física são muito diferentes.
O buraco negro supermassivo dentro do núcleo da galáxia elíptica supergiante Messier 87 na constelação Virgo. O buraco negro foi o primeiro a ser imitado diretamente (Event Horizon Telescope, lançado em 10 de abril de 2019).
Simulação de lente gravitacional por um buraco negro, que distorce a imagem de uma galáxia no fundo (animação maior)
História
Em 1783, um clérigo inglês chamado John Michell escreveu que talvez fosse possível que algo fosse tão pesado que você teria que ir à velocidade da luz para se afastar de sua gravidade. A gravidade fica mais forte à medida que algo se torna maior ou mais maciço. Para uma coisa pequena, como um foguete, para escapar de uma coisa maior, como a Terra, ela tem que escapar da atração de nossa gravidade ou ela cairá para trás. A velocidade que deve viajar para cima para fugir da gravidade da Terra é chamada de velocidade de fuga. Planetas maiores (como Júpiter) e estrelas têm mais massa, e têm uma gravidade mais forte do que a Terra. Portanto, a velocidade de fuga é muito mais rápida. John Michell pensou que era possível que algo fosse tão grande que a velocidade de fuga fosse mais rápida que a velocidade da luz, de modo que nem mesmo a luz conseguiria escapar. Em 1796, Pierre-Simon Laplace promoveu a mesma idéia na primeira e segunda edições de seu livro Exposition du système du Monde (foi retirado de edições posteriores).
Alguns cientistas pensaram que Michell poderia estar certo, mas outros pensaram que a luz não tinha massa e não seria puxada pela gravidade. Sua teoria foi esquecida.
Em 1916 Albert Einstein escreveu uma explicação da gravidade chamada relatividade geral.
- A massa faz com que o espaço (e o espaço-tempo) se curve, ou curve. Movendo as coisas "caem ao longo" ou seguem as curvas no espaço. Isto é o que chamamos de gravidade.
- A luz viaja sempre na mesma velocidade, e é afetada pela gravidade. Se ela parece mudar de velocidade, ela está realmente viajando ao longo de uma curva no tempo espacial.
Alguns meses depois, enquanto servia na Primeira Guerra Mundial, o físico alemão Karl Schwarzschild usou as equações de Einstein para mostrar que um buraco negro poderia existir. Em 1930, Subrahmanyan Chandrasekhar previu que as estrelas mais pesadas do que o sol poderiam colapsar quando ficassem sem hidrogênio ou outros combustíveis nucleares para queimar. Em 1939, Robert Oppenheimer e H. Snyder calcularam que uma estrela teria que ser pelo menos três vezes maior do que o Sol para formar um buraco negro. Em 1967, John Wheeler inventou o nome "buraco negro" pela primeira vez. Antes disso, eles eram chamados de "estrelas negras".
Em 1970, Stephen Hawking e Roger Penrose mostraram que os buracos negros devem existir. Embora os buracos negros sejam invisíveis (eles não podem ser vistos), parte da matéria que está caindo neles é muito brilhante.
Formação de buracos negros
Colapso gravitacional
O colapso gravitacional de enormes estrelas (de alta massa) causa buracos negros de "massa estelar". A formação de estrelas no universo inicial pode ter resultado em estrelas muito maciças, que no colapso produziriam buracos negros de até 103 massas solares. Esses buracos negros podem ser as sementes dos buracos negros supermassivos encontrados nos centros da maioria das galáxias.
A maior parte da energia liberada no colapso gravitacional é emitida muito rapidamente. Um observador distante vê o material em colapso lento e parado logo acima do horizonte do evento, devido à dilatação do tempo gravitacional. A luz emitida imediatamente antes do horizonte de eventos é retardada uma quantidade infinita de tempo. Portanto, o observador nunca vê a formação do horizonte de eventos. Em vez disso, o material em colapso parece tornar-se mais escuro e cada vez mais deslocado para o vermelho, eventualmente desaparecendo.
Buracos negros supermassivos
Também foram encontrados buracos negros no meio de quase todas as galáxias do universo conhecido. Estes são chamados de buracos negros supermassivos (SBH), e são os maiores buracos negros de todos. Eles se formaram quando o Universo era muito jovem, e também ajudaram a formar todas as galáxias.
Acredita-se que os quasares sejam alimentados por material coletado por gravidade em SBHs nos centros de galáxias distantes. A luz não pode escapar dos SBHs no centro dos quasares, então a energia de fuga é feita fora do horizonte do evento por tensões gravitacionais e imenso atrito no material que chega.
Enormes massas centrais (106 a 109 massas solares) têm sido medidas em quasares. Várias dezenas de grandes galáxias próximas, sem sinal de um núcleo quasar, contêm um buraco negro central semelhante em seus núcleos. Portanto, pensa-se que todas as grandes galáxias têm um, mas apenas uma pequena fração está ativa (com acreção suficiente para a radiação de energia) e, portanto, são vistas como quasares.
Efeito sobre a luz
No meio de um buraco negro, há um centro gravitacional chamado de singularidade. É impossível ver dentro dele porque a gravidade impede a fuga de qualquer luz. Em torno da pequena singularidade, há uma grande área onde a luz que normalmente passaria por ela também é sugada. A borda desta área é chamada de horizonte de eventos. A área além do horizonte do evento é o buraco negro. A gravidade do buraco negro fica mais fraca a uma distância. O horizonte de eventos é o lugar mais distante do meio onde a gravidade ainda é forte o suficiente para aprisionar a luz.
Fora do horizonte do evento, a luz e a matéria ainda serão puxadas em direção ao buraco negro. Se um buraco negro for cercado por matéria, a matéria formará um "disco de acreção" (acreção significa "reunião") ao redor do buraco negro. Um disco de acreção se parece algo como os anéis de Saturno. Ao ser sugado, a matéria fica muito quente e dispara radiação de raios X para o espaço. Pense nisto como a água girando ao redor do buraco antes de cair dentro.
A maioria dos buracos negros está muito longe para que possamos ver o disco de acreção e o jato. A única maneira de conhecer um buraco negro é vendo como as estrelas, o gás e a luz se comportam em torno dele. Com um buraco negro próximo, mesmo objetos tão grandes quanto uma estrela se movem de maneira diferente, geralmente mais rápido do que se o buraco negro não estivesse lá.
Como não podemos ver os buracos negros, eles devem ser detectados por outros meios. Quando um buraco negro passa entre nós e uma fonte de luz, a luz se dobra ao redor do buraco negro criando uma imagem de espelho. Esse efeito é chamado de lente gravitacional.
Imagem do artista: um buraco negro que retira a camada externa de uma estrela próxima. É cercado por um disco de energia, que está fazendo um jato de radiação.
Cruz de Einstein: quatro imagens de um quasar
Radiação Hawking
A radiação Hawking é a radiação do corpo negro que é emitida pelo buraco negro, devido aos efeitos quânticos próximos ao horizonte do evento. Tem o nome do físico Stephen Hawking, que forneceu um argumento teórico para sua existência em 1974.
A radiação Hawking reduz a massa e a energia do buraco negro e, portanto, é também conhecida como evaporação do buraco negro. Isto acontece por causa dos pares partícula-antipartícula virtuais. Devido às flutuações quânticas, isto é quando uma das partículas cai e a outra se safa com a energia/massa. Por causa disso, espera-se que os buracos negros que perdem mais massa do que ganham por outros meios encolham e acabam desaparecendo. Prevê-se que os micro buracos negros (MBHs) sejam emissores líquidos de radiação maiores do que os buracos negros maiores e devem encolher e se dissipar mais rapidamente.
Perguntas e Respostas
P: O que é um buraco negro?
R: Um buraco negro é uma região do espaço da qual nada, nem mesmo a luz, pode escapar. Ele começa a existir quando o espaço é curvado por uma massa enorme e tem um horizonte de eventos que nada no interior pode deixar.
P: Por que os buracos negros são negros?
R: Os buracos negros são negros porque absorvem toda a luz que os atinge e não refletem nada, assim como um corpo negro perfeito em termodinâmica.
P: Como é que as pessoas encontram buracos negros?
R: As pessoas encontram buracos negros rastreando o movimento das estrelas que orbitam em algum lugar no espaço ou quando o gás cai em um buraco negro e aquece e se torna muito brilhante, o que pode ser visto com telescópios na Terra ou com telescópios que orbitam na Terra.
P: Existem buracos negros supermassivos?
R: Sim, os astrônomos encontraram evidências de buracos negros supermassivos no centro de quase todas as galáxias. Em 2008 os astrônomos encontraram evidências de que um buraco negro supermassivo de mais de quatro milhões de massas solares está perto da parte Sagitário A* da galáxia Via Láctea.
P: Será que a mecânica quântica afeta a maneira como vemos os buracos negros?
R: Sim, sob a mecânica quântica, os buracos negros têm uma temperatura e emitem radiação Hawking, o que os torna lentamente menores.
P: O que acontece dentro de um buraco negro?
R: Dentro de um buraco negro, as regras da física são muito diferentes das que experimentamos aqui na Terra.
