Buracos Negros: Fatos, Teoria e Definição

Por Wiler Júnior

Ilustração de um buraco negro jovem localizado pelo Telescópio Espacial Spitzer.  Fonte: NASA/JPL-Caltech

Esta publicação é uma tradução adaptada do artigo Black Holes: Facts, Theory & Definition, escrito por Nola Taylor Redd.

Buracos negros são alguns dos objetos mais estranhos e fascinantes encontrados no espaço sideral. Esses objetos têm uma densidade extrema, com uma atração gravitacional tão forte, que até a luz não pode escapar se chegar perto o suficiente de algum deles.

Albert Einstein primeiramente previu a existência de buracos negros em 1916 por meio de sua Teoria da Relatividade Geral. O termo "buraco negro" foi cunhado em 1967 pelo astrônomo americano John Wheeler, e o primeiro foi descoberto em 1971.

Existem três tipos: buracos negros estelares, buracos negros supermassivos e buracos negros intermediários.

Buracos negros estelares – pequenos mas mortais

Quando queima o resto de seu combustível, uma estrela pode entrar em colapso ou cair nela mesma. Para estrelas menores, com aproximadamente três vezes a massa do nosso sol, seu novo núcleo será uma estrela de nêutrons ou uma anã branca. No entanto, quando uma estrela maior entra em colapso, ela continua a se comprimir e cria um buraco negro estelar.

Buracos negros são formados pelo colapso de estrelas que são (relativamente) pequenas, mas incrivelmente densas. Um objeto desse tipo possui três vezes ou mais da massa do nosso sol num espaço do tamanho de uma cidade. Isso gera uma alta força gravitacional puxando objetos que estão por perto. Buracos negros consomem a poeira e o gás da galáxia ao redor deles, o que os faz crescer.

De acordo com o Centro para Astrofísica Harvard-Smithsonian, "a Via Láctea contém algumas poucas centenas de milhões" de buracos negros estelares.

Buracos negros supermassivos – o nascimento dos gigantes

Buracos negros pequenos povoam o universo, mas seus primos, os buracos negros supermassivos, dominam. Buracos negros supermassivos são milhões ou até bilhões de vezes mais massivos que o sol, mas têm um raio igual ao da estrela mais próxima da Terra. Acredita-se que buracos negros como esses existam no centro de praticamente todas as galáxias, inclusive a Via Láctea.

Os cientistas não têm certeza sobre como nascem buracos negros grandes como esses. Uma vez que se formam, eles acumulam massa da poeira e do gás ao redor deles, material que existe em grandes quantidades no centro de galáxias, o que permite que eles fiquem enormes.

Buracos negros supermassivos podem ser o resultado de centenas ou milhares de minúsculos buracos negros que se juntaram. Grandes nuvens de gás também podem ser responsáveis, entrando em colapso jutas e acumulando massa rapidamente. Uma terceira opção é o colapso de um aglomerado estelar, um grupo de estrelas que entra em colapso.

Buracos negros intermediários – no meio

Cientistas já pensaram que os buracos negros vêm apenas em tamanhos pequenos e grandes, mas uma pesquisa recente revelou a possibilidade da existência de buracos negros com um tamanho intermediário (IMBHs). Corpos como esses podem se formar quando estrelas em um aglomerado se colidem em uma reação em cadeia. Muitos desses se formando numa mesma região podem entrar em colapso juntos no centro de uma galáxia e criar um buraco negro supermassivo.

Em 2014, astrônomos descobriram o que pareceu ser um buraco negro de massa intermediária no braço espiral da galáxia.

"Astrônomos têm trabalhado pesado procurando por esses buracos negros de tamanho  médio", disse o coautor Tim Roberts, da Universidade de Durham na Inglaterra, em uma declaração.

"Havia traços de que eles existem, mas buracos negros intermediários têm agido como parentes perdidos há muito tempo e que não querem ser encontrados."

Teoria dos buracos negros – como eles funcionam

Buracos negros são incrivelmente massivos, mas cobrem apenas uma pequena região. Por causa da relação entre massa e gravidade, isso significa que eles têm uma força gravitacional incrivelmente grande. Virtualmente nada pode escapar deles – de acordo com a Física Clássica, até mesmo a luz é aprisionada por um buraco negro.

Um empurrão forte como esse cria um problema observacional no que diz respeito a buracos negros - cientistas não podem "vê-los" como veem estrelas e outros objetos no espaço. Em vez disso, eles têm que confiar na radiação que é emitida enquanto poeira e gás são puxados para dentro das densas criaturas.

Buracos negros supermassivos, presentes no interior de uma galáxia, podem ser encontrados cercados por poeira e gás espessos, o que pode bloquear as emissões que possibilitam localizá-los.

Às vezes, enquanto matéria é puxada para um buraco negro, a mesma ricocheteia no horizonte de eventos e é jogada para fora em vez de ser sugada para dentro. Jatos brilhantes de matéria viajando a velocidades quase relativísticas são criados. Embora o buraco negro em si permaneça sem ser visto, esses poderosos jatos podem ser visto a longas distâncias.

Buracos negros possuem três camadas - os horizontes de eventos interno e externo e a singularidade.

O horizonte de eventos de um buraco negro é um limiar em torno da boca do objeto onde a luz perde sua habilidade de escapar. Uma vez que a partícula cruza o horizonte de eventos, não há como voltar. A gravidade é constante através do horizonte de eventos.

A região interna de um buraco negro, onde sua massa fica, é conhecida como singularidade, um ponto único no espaço-tempo onde a massa do buraco negro fica concentrada.

Sob a Mecânica Clássica da Física, nada pode escapar de um buraco negro. No entanto, as coisas mudam um pouco quando a Mecânica Quântica é adicionada à equação. Sob a Mecânica Quântica, para cada partícula há uma antipartícula, que é uma partícula com a mesma massa e e carga elétrica oposta. Quando se encontram, pares partícula-antipartícula destroem uns aos outros.

Se um par partícula-antipartícula é criado um pouco além do horizonte de eventos de um buraco negro, é possível que um seja lançado para dentro do buraco negro e outro, para fora. O resultado é a redução do horizonte de eventos do buraco negro tenha sido reduzido e buracos negros podem enfraquecer, um processo que é rejeitado sob a Mecânica Clássica.

Cientistas ainda estão trabalhando para entender as equações pelas quais os buracos negros funcionam.

Luz brilhante em buracos negros binários

Em 2015, astrônomos usando o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro-Laser (LIGO) fizeram a primeira detecção de ondas gravitacionais. Desde então, o instrumento tem observado vários incidentes. As ondas gravitacionais localizadas pelo LIGO vieram the buracos negros estelares que estavam se unindo.

"Nós temos a confirmação da existência de buracos negros de massa estelar com massas 20 vezes maiores que a do sol - esses são objetos que nós sabíamos que existiam antes de o LIGO os detectar", David Shoemaker, do MIT, disse numa declaração. Shoemaker é o assessor da Colaboração Científica do LIGO (LSC), um corpo composto por mais de 1000 cientistas internacionais que desenvolvem a pesquisa do LIGO em conjunto com a Colaboração Virgo, baseada na Europa.

As observações feitas pelo LIGO também fornecem informações sobre a direção de giro dos buracos negros. Enquanto um buraco negro gira em torno do outro, eles podem girar na mesma direção ou em direções completamente diferentes.

"É a primeira vez que nós evidenciamos que os buracos negros podem não estar alinhados, o que nos dá uma ideia bem pequena de que buracos negros binários podem se formar em densas aglomerações de estrelas", disse o pesquisador do LIGO Bangalore Sathyaprakash, da Universidade do Estado da Pensilvânia e da Universidade de Cardiff.

Há duas teorias sobre como buracos negros binários se formam. A primeira sugere que eles se formaram, quase ao mesmo tempo, de duas estrelas que nasceram ao mesmo tempo e morreram explosivamente quase ao mesmo tempo. As estrelas companheiras teriam tido a mesma orientação de giro, assim a orientação dos buracos negros que elas deixaram para trás.

Sob o segundo modelo, buracos negros em um aglomerado de estrelas mergulham para o centro do aglomerado e se empaream. Esses companheiros podem ter orientações de giro aleatórias comparados um ao outro. As observações do LIGO dos buracos negros companheiros com diferentes orientações de giro fornecem evidências ainda mais fortes para essa teoria de formação.

"Nós estamos começando a colher estatísticas reais sobre sistemas de buracos negros binário", disse o cientista do LIGO Keita Kawabe, do Caltech, que trabalha no Observatório LIGO de Hanford. "Isso é interessante porque alguns modelos de formação de buracos negros binários são, de certa forma, favorecidos em relação a outros mesmo agora e, no futuro, podemos estreitar ainda mais."