De todos
os objetos exóticos no universo, nenhum gera mais excitação, temor,
medo, e engano do que os buracos negros. Peça para um amigo falar o que
acha sobre buracos negros e você ouvirá “buracos negros são como
aspiradores de pó gigantescos no espaço”, ou “buracos negros sugam tudo
que estiver ao seu redor” A realidade, no entanto, é bastante
diferente e muito menos ameaçadora do que muitos acreditam. A Galáxia de
Circinus é um objeto ativo próximo que abriga um buraco negro poderoso
em seu núcleo. Gases girando em torno do centro da galáxia,(visto em
cores frias (azuladas) quando eles se aproximam do observador e cores
quentes(avermelhadas) quando se afastam), fazem parte do disco de
acreação que circunda um buraco negro. Um objeto tão denso que a atração
gravitacional aumentou a ponto de impedir a própria luz de escapar,
foi proposto primeiro em 1783 pelo inglês John Michell e novamente em
1795 pelo francês Pierre Simon Laplace, como extrapolações lógicas das
leis da gravitação universal de Newton e da teoria da luz corpuscular.
Os “corpos escuros” de Michell/Laplace se tornou notas de rodapé na
história da ciência quando Einstein mostrou que a lei de Newton da
gravitação estava incorreta nos domínios onde a matéria se torna muito
densa, e que a teoria da luz corpuscular também estava errada.
A idéia de buracos negros surgiu em 1939 por
J. Robert Oppenheimer e seus colaboradores, baseados nas equações da
Teoria Geral de Relatividade de Einstein. Estas equações mostram que se a
matéria ficar suficientemente concentrada, sua atração gravitacional
pode subjugar todos os outros efeitos, enquanto cria regiões das quais
matéria e luz não podem escapar. O termo buraco negro foi aplicado pela
primeira vez a estas regiões ‘armadilhas de luz’ pelo astrofísico de
Princeton John Wheeler em 1967.
O limite entre um buraco negro e o resto do
universo é chamado o horizonte de eventos. Porém, esse limite é apenas
uma concha hipotética, a uma distância do centro do buraco negro,
determinada por sua massa. Qualquer coisa que cruze o horizonte de
evento nunca poderá voltar ao universo externo. Se a matéria que formou o
buraco negro não fosse giratória, a massa do buraco seria concentrada
em seu centro. No entanto é mais aceito, que a matéria estaria girando
inicialmente, e sua massa tomou a forma de um anel dentro de seu
horizonte de evento.
MAS ELES REALMENTE EXISTEM?
Nós não podemos ver buracos negros
diretamente porque luz não pode escapar deles, mas nós podemos ver os
efeitos deles na matéria circunvizinha, como gases próximos e estrelas.
Buracos negros têm efeitos sobre sua vizinhança que não podem, até o
momento, serem atribuídos a nenhum outro objeto cósmico conhecido.
Ajudado pelas imagens do telescópio orbital Hubble e outros telescópios
poderosos, os astrônomos durante as últimas duas décadas têm localizado
um número crescente de buracos negros. Alguns são núcleos colapsados de
estrelas que começaram a vida com mais de oito massas solares e
explodiram, enquanto o resto, muito mais volumoso, foi provavelmente
criado logo após o Big Bang, a partir de vastas aglomerações de gases e
matéria que circundavam galáxias em criação. Tal é a certeza das
observações de buracos negros que em janeiro 1997 na Sociedade
Astronômica americana que se encontra em Toronto, Canadá, vários
astrônomos predisseram a existência desses, então chamados ‘buracos
negros’, nos centros da maioria dos bilhões de galáxias existentes.
Os buracos negros recentemente descobertos
nos centros das galáxias contêm entre alguns milhões e alguns bilhões de
vezes a massa do sol, o que lhes tornam sem dúvida, os objetos mais
massivos do universo conhecido. Em contraste, os buracos negros de
núcleos estelares variam em massa entre aproximadamente 3 e 50 massas
solares. Astrofísico britânico Steven Hawking propôs um terceiro tipo,
ainda não detectado, chamado de primordial ou “míni” buracos negros, que
foram formados no começo dos tempos quando o Big Bang, que criou o
universo, super-comprimiu quantias minúsculas de matéria. Minúsculo é
relativo, claro… essas massas comprimidas em buracos negros primordiais
podem ter variado de fração de grama à massa de um grande planeta.
O entendimento científico dos buracos negros
explodiu nos anos sessenta, quando os astrofísicos começaram estudar
intensivamente. Porém, escritores de ficção científica, televisão,
cinema e pessoas despreparadas têm divulgado noções errôneas sobre
buracos negros. Muitas pessoas pensam que qualquer buraco negro crescerá
tanto que em algum dia devorará a Terra. Filmes mostram os buracos
negros como redemoinhos de água gigantescos ou funis devoradores de
matéria e isso tudo colabora para criar mais confusão. Outro conceito
equivocado comum é acreditar que buracos negros são regiões de espaço
vazio ou “buracos no espaço” e que eles durarão para sempre. O problema
de entender buracos negros começa com o nome. Buracos negros não são
necessariamente pretos nem são realmente buracos. “Preto” normalmente
indica a ausência total de cor e é aplicado a buracos negros para
significar a ausência total de luz emitida ou outra radiação.
Buracos negros grandes são quase pretos. Mas
buracos negros menores podem radiar energia. Em 1974, Steven Hawking
propôs um mecanismo pelo qual buracos negros transformam a massa em
radiação e em partículas que escapam das imediações do buraco. Ele
afirmou assim que aqueles buracos negros pequenos evaporam, enquanto
aumentam mais seu brilho no processo. Os trabalhos de evaporação de
buraco negro ocorrem da seguinte maneira. Em todo o universo a todo
tempo são criados pares de partículas espontaneamente. Elas aniquilam
uma a outra em tempos curtos (tipicamente em 10 a 23 segundos), a
presença delas não viola qualquer lei da física. Dentro de nossos
corpos, por exemplo, o espaço é uma espuma fervendo destas partículas
“virtuais”.
Nós sabemos que estas partículas existem
porque eles foram observados em aceleradores de partícula de alta
energia. Uma partícula real em movimento rápido que vier de encontro com
o par de partículas virtuais pode separá-las tornando-as reais.
Partículas virtuais criadas próximas do horizonte de evento de um buraco
negro também podem ficar reais. Se uma partícula em tal par é
ligeiramente mais próxima do horizonte de evento que sua companheira, a
força gravitacional enorme do buraco irá separá-las tornando-as reais. A
mais próxima será atraída e a mais distante ficará real com velocidade
suficiente para escapar completamente do buraco negro.
Pode parecer que um buraco negro deveria
crescer devido ao processo de Hawking, desde que ele sempre absorve pelo
menos uma das partículas que cria. Você pode ver que isto não acontece,
pois enquanto soma-se massa, ganha e perde. A energia gravitacional que
tornou as partículas reais vêm da massa de dentro do buraco negro. A
quantia de massa convertida na energia gravitacional que rasga as
partículas virtuais separando-as é determinada pela equação de
massa-energia de Einstein E = (2m)c², onde 2m é a massa total das duas
partículas recentemente formadas. Esta energia gravitacional passa pelo
horizonte de evento, e cria as duas partículas, enquanto diminui a massa
do buraco negro em 2m. O resultado líquido é que o buraco perde massa
igual para a massa da partícula que escapa completamente dele.
Por isso buracos negros muito pequenos
parecem estar radiando matéria e radiação eletromagnética e tudo mais
que é criado próximo do horizonte de evento. Assim nem todos os buracos
negros são negros. Como o horizonte de evento do buraco negro encolhe
com a perda de massa, se põe mais próximo de seu centro. De forma
interessante, as equações revelam aumentos da taxa de evaporação com o
encolhimento do horizonte, embora a massa do buraco esteja diminuindo.
Cada buraco negro deveria desaparecer em uma tremenda explosão final,
irradiando quantidades enormes da radiação de Hawking. Astrônomos ainda
estão procurando por estas explosões. Assim, buracos negros não duram
para sempre.
BURACOS NEGROS SÃO BURACOS?
Os buracos negros realmente não são buracos.
Também, aqui as palavras entram na discussão. Meu dicionário tem 20
definições de um buraco; duas são pertinentes. Primeiro, um buraco é “um
lugar oco em uma massa sólida; uma cavidade.” Este é o que muitas
pessoas associam com buracos negros: uma cavidade ou local nulo no
espaço. Mas os buracos negros são cheio de matéria altamente condensado.
Eles não são cavidades ocas.
A segunda definição pertinente é “uma
abertura por algo; uma abertura.” Enquanto as equações de Einstein forem
ambíguas sobre isto, haverá algum consenso em que buracos negros não
conectam regiões diferentes do universo como o “buraco de minhoca”, como
nós vemos descrito em filmes de ficção científica. Além dos problemas
com a palavra “buraco”, buracos negros não estão completamente fora do
universo. Eles comunicam-se com todo o resto de três modos. Primeiro, a
massa no buraco negro cria muita atração gravitacional em objetos
distantes como fazia antes de se tornar um buraco negro. Segundo, o
impulso angular do buraco negro é o mesmo de antes da sua matéria se
tornar um buraco negro e, realmente, sua rotação afeta o espaço externo
seu horizonte de evento de modos estranhos.
Terceiro, a carga elétrica de toda a
matéria no buraco negro (a diferença entre a carga positiva e carga
negativa) é percebida fora de seu horizonte de evento da mesma maneira,
antes ou depois de entrarem no buraco negro. Assim buracos negros não
são buracos. Quanto às convicções populares, sem dúvida, a mais comum é
que buracos negros são aspiradores de pó cósmicos. No entanto não são
por duas razões: buracos negros são na verdade menos efetivos atraindo
objetos do que eram antes que se tornassem um buraco negro. Primeiro,
buracos negros de núcleos estelares são tão pequenos que eles podem
consumir apenas um volume minúsculo de matéria. O horizonte de evento de
um buraco negro de dez massas solares, está a apenas 16 Km do seu
centro, enquanto uma estrela de dez massas solares atrai matéria em um
raio de 32 milhões de Km.
Por conseguinte, buracos negros podem
gravitacionalmente até atrair grandes volumes de gás (de uma estrela
companheira, por exemplo), mas o buraco negro é tão pequeno que o gás
fica rodopiando ao redor, às vezes durante anos, como água ao redor de
um dreno, esperando ser puxado. Segundo, o único modo pelo qual os
buracos negros podem absorver matéria é pela atração gravitacional. Uma
estrela da mesma massa também pode usar outros efeitos físicos para
absorver matéria. Considere um cometa que voa para uma estrela de dez
massas solares em uma trajetória que o levaria próximo de 1500 Km do
núcleo da estrela, se ele sobreviver até aqui. O tremendo calor
produzido pela estrela evaporaria os gases no cometa antes do impacto,
enquanto a rocha e metal vaporizariam quando entrassem nas camadas
exteriores da estrela, deixando grande quantidade de matéria.
Agora suponha um cometa que voa para um
buraco negro de dez massas solares. A atração gravitacional do buraco no
cometa seria igual ao da estrela de massa equivalente. No entanto a
quantia de radiação de Hawking de um buraco negro estelar é mínima
comparada à produção de uma estrela, o buraco negro não vaporizaria o
cometa. Além disso, o buraco é tão pequeno que a aproximação mais íntima
do cometa seria 1200 Km do horizonte de eventos. Nesta distância, a
gravidade do buraco agiria como gravidade de um objeto normal,
simplesmente fazendo o cometa mudar direção. O cometa mudaria de rota e
partiria em uma nova direção, sem ser engolido ou destruído como seria
pela estrela. Até mesmo buracos negros galácticos de bilhões de massas
solares agem pouco gravitacionalmente no resto do universo; os
astrônomos vêem gás e marcam suas órbitas ao redor de tais corpos, sem
que sejam sugados para dentro.
Assim buracos negros não têm nenhuma
habilidade mágica para sugar matéria externa e, com certeza não vai
crescer e eventualmente até engolir Terra. Então por tudo isso, vemos
que uma estrela é bem mais feroz em seus efeitos que um buraco negro.
Buracos negros mostram alguns efeitos estranhos em espaços próximos. É
chamado de raio de Schwarzschild, a distância do centro do buraco negro
para seu horizonte de evento. Todos os efeitos estranhos de buracos
negros acontecem dentro de aproximadamente dez raios de Schwarschild do
centro do buraco. Além dessa distância bastante limitada, o único efeito
do buraco negro em outros objetos é através da atração gravitacional
normal.
As piores distorções sobre o conceito de
buraco negro são as criadas por fanáticos religiosos e místicos,
comparando-os ao inferno, para intimidar as crianças e jovens
ameaçando-os de terem suas almas enviadas para um buraco negro. Na
verdade isso acaba fazendo a criança associar ciência com mal. Foi dito
para alguns estudantes que buracos negros são lugares onde as almas das
crianças que estão por nascer residem. Os astrofísicos acumularam um
cabedal impressionante de conhecimento sobre a natureza dos buracos
negros, mas, ainda assim não podem compreender tudo sobre eles. A
maioria de nossos conhecimentos atuais sobre a natureza da matéria ainda
são insuficientes para explicá-los. O estudo dos buracos negros poderá
contribuir significativamente para o entendimento do universo, da
matéria e da origem das galáxias e por isso existe um grande interesse
por esse assunto.
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