conceito de artista ilustra um buraco negro supermassivo com milhões a bilhões de vezes a massa do nosso Sol. Buracos negros supermassivos são objetos enormemente densos enterrados nos corações das galáxias. Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech
Um buraco negro é um objeto extremamente denso no espaço do qual nenhuma luz pode escapar. Embora os buracos negros sejam misteriosos e exóticos, eles também são uma consequência fundamental de como a gravidade funciona: Quando muita massa é comprimida em um espaço pequeno o suficiente, o objeto resultante rasga o próprio tecido do espaço e do tempo, tornando-se o que é chamado de singularidade. A gravidade de um buraco negro é tão poderosa que será capaz de puxar material próximo e "comê-lo".
Aqui estão 10 coisas que você pode querer saber sobre buracos negros:
Pode não parecer, mas buracos negros são simples: objetos que foram tão espremidos pela gravidade que ocupam um volume infinitesimal, porém sem perder sua massa. Contudo, é difícil entender o que ocorre dentro de seus horizontes de eventos — o ponto de não retorno, de onde nem a luz pode escapar — pelo simples fato de serem invisíveis. Por isso, há muitas dúvidas sobre o assunto, mas os cientistas já encontraram algumas respostas.
Albert Einstein não foi o primeiro estudioso a propor a existência de buracos negros, mas foi a Teoria da Relatividade Geral que tornou o tema tão popular. Mais precisamente, as soluções para suas equações propostas por físicos como Karl Schwarzschild, elogiado por Einstein pela forma simples de resolver os problemas. Desde então, a ficção científica especula maravilhas e pesadelos que poderiam ser testemunhados por quem se aproximasse de um buraco negro.
Hoje, a ciência sabe muito mais sobre esses objetos do que algumas décadas atrás. Já temos até mesmo uma foto real de um buraco negro, um feito inédito que garantiu à equipe responsável um prêmio milionário. Se você é um curioso sobre esses titãs misteriosos, confira as respostas para 10 perguntas que você poderia fazer sobre os buracos negros.
1. Se buracos negros são invisíveis, como se descobre coisas sobre eles?
O buraco negro CID-947 cresceu muito mais rápido que sua galáxia hospedeira. Ele está no centro da galáxia e tem quase 7 bilhões de vezes a massa do nosso Sol, um dos buracos negros mais massivos já descobertos. A massa da galáxia, no entanto, é considerada normal (Imagem: Reprodução/M. Helfenbein/Universidade de Yale/OPAC)
É verdade que nenhuma luz, de qualquer tipo, pode escapar do horizonte de eventos de um buraco negro, o que os torna invisíveis. Mas se ele for ativo, ou seja, estiver se alimentando de qualquer tipo de matéria, muita coisa observável acontece ao redor deles.
Quando um gás é sugado pelo buraco negro, por exemplo, a matéria é esticada e começa a girar ao redor dele antes de cair no horizonte de eventos. Você pode simular isso deixando uma boa quantidade de água escorrer pelo ralo de um tanque, de modo que um redemoinho se forme acima de onde a água escoa. Se você pingar um pouco de tinta, verá um fio colorido espiralando em direção ao centro antes de entrar pelo ralo.
No caso de um buraco negro, esse processo acelera a matéria a altas velocidades e a aquece a milhões de graus, resultando em algo chamado disco de acreção. Isso faz com que um brilho em raios-X e rádio seja emitido, e é esse brilho que os cientistas geralmente observam pelos instrumentos astronômicos. Além do disco de acreção, os buracos negros ativos podem ter jatos emitidos quase à velcidade da luz.
A imensa gravidade dos buracos negros também distorce o próprio espaço, de modo que é possível ver a influência de uma atração gravitacional invisível sobre estrelas e outros objetos — foi assim que os astrônomos descobriram que há um buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea, por exemplo. Por fim, os cientistas conseguem “ouvir” o eco de uma colisão entre dois buracos negros, eventos que formam um novo buraco e produzem ondas gravitacionais.
2. É possível que um buraco negro "engula" uma galáxia inteira?
Não há como um buraco negro devorar uma galáxia inteira, porque o alcance gravitacional dos buracos negros supermassivos existentes no meio das galáxias não é grande o suficiente para alcançar todos os objetos da galáxia. Na verdade, ele não consegue nem mesmo engolir as estrelas mais próximas do centro galáctico.
O nosso Sistema Solar, por exemplo, está a cerca de 26 mil anos luz de distância do Sagittarius A*, o buraco negro supermassivo que há no centro da Via Láctea. Essa distância é mais do que segura. Para comparar, há algumas estrelas que aparentemente orbitam em segurança o Sagittarius A*, sendo uma delas a S2, que está a cerca de 25 mil anos luz de distância de nós.
Para entender melhor como funciona a atração gravitacional de um buraco negro, pense naqueles que se formam a partir do colapso de estrelas: o campo de gravidade deles permanece o mesmo que a estrela tinha antes do colapso. Se o Sol, por exemplo, pudesse se tornar um buraco negro (o que não ocorrerá, porque ele não tem massa o suficiente para isso), todas as órbitas dos planetas, cometas e asteroides do Sistema Solar continuaria igual. Quase nada seria devorado.
3. O que aconteceria se você caísse em um buraco negro?
Há algumas divergências recentes sobre esse assunto, mas o que é normalmente aceito sobre o interior dos buracos negros vem da Teoria da Relatividade Geral. Se observarmos um buraco negro de longe, só poderemos ver regiões fora do horizonte de eventos, mas se alguém caísse ali, experimentaria outra "realidade". No horizonte de eventos, sua percepção do espaço e do tempo mudaria completamente.
Isso acontece porque os buracos negros distorcem o espaço e o tempo, devido à sua alta densidade. Isso causa algo conhecido como dilatação do tempo gravitacional. Se você observar à distância um objeto que cai em um buraco negro, verá este processo em velocidade reduzida. O objeto também parecerá diminuir à medida que se aproxima do horizonte de eventos, levando um tempo aparentemente infinito para alcançá-lo.
Outro efeito curioso é que a luz refletida pelo objeto parecerá mais vermelha e mais escura, um efeito conhecido como desvio gravitacional para o vermelho. Se o objeto for um relógio gigante, o observador verá seus ponteiros gigando bem mais lentamente do que seu próprio relógio. O objeto em queda diminuirá, ficará mais vermelho e escuro, e então desaparecerá para não poder mais ser visto.
Se você for indestrutível e mergulhar em um buaco negro por pura curiosidade, não perceberá nada do que foi descrito acima. Seu relógio marcará o tempo normalmente e você cruzará o horizonte de eventos após um tempo nada parecido com o infinito. No entanto, na relatividade geral clássica, você não poderia saber a localização do horizonte de eventos ao mergulhar nele, devido ao princípio de equivalência de Einstein.
Em último lugar, a imensa densidade do buraco negro comprimiria seu corpo horizontalmente e o esticaria verticalmente, como um macarrão, devido aos efeitos das forças de marés: a parte do seu corpo mais próxima do buraco negro será puxada com muito mais força do que a parte mais afastada. Os cientistas chamam esse fenômeno de "espaguetificação".
4. Os buracos negros influenciaram nosso planeta?
Quando uma estrela massiva explode, ela distribui pelo espaço elementos necessários para a vida, como carbono, nitrogênio e oxigênio. As fusões entre duas estrelas de nêutrons, dois buracos negros ou uma estrela de nêutrons e um buraco negro também espalham elementos como estes, que podem um dia se tornar parte de novos planetas.
As ondas de choque de explosões estelares também podem desencadear a formação de novas estrelas e novos sistemas estelares. Então, em certo sentido, devemos nossa existência na Terra a explosões e eventos de colisão que formaram buracos negros há muito tempo.
Em uma escala maior, a maioria das galáxias parece ter buracos negros supermassivos em seus centros. A conexão entre a formação desses buracos negros supermassivos e a formação de galáxias ainda não é conhecida, mas é possível que buracos negros tenham desempenhado um papel importante na formação das galáxias, incluindo a nossa Via Láctea.
5. Qual é o buraco negro mais distante já detectado?
O buraco negro mais distante já descoberto está em uma galáxia a cerca de 13,1 bilhões de anos-luz da Terra. A idade do universo atualmente é estimada em 13,8 bilhões de anos-luz, então esse buraco negro já existia cerca de apenas 690 milhões de anos após o Big Bang.
Foi possível detectá-lo porque esse buraco negro supermassivo é o que os astrônomos chamam de “quasar”. Ou seja, há grandes quantidades de gás sendo derramadas no buraco negro tão rapidamente que a produção de energia é mil vezes maior que a da própria galáxia, e isso produz um brilho extremo, permitindo aos astrônomos detectá-lo.
6. Colisões entre galáxias podem criar buracos negros perigosos?
Um conceito artístico que mostra o buraco negro supermassivo mais distante já descoberto. Faz parte de um quasar que surgiu 690 milhões de anos após o Big Bang (Imagem: Robin Dienel/Carnegie Institution for Science)
Como vimos antes, o tamanho da região sobre a qual um buraco negro específico tem influência gravitacional significativa é bastante limitado em comparação com o tamanho de uma galáxia. Isso se aplica mesmo a buracos negros supermassivos no centro das galáxias. Estes buracos negros provavelmente já "engoliram" a maioria ou todas as estrelas que estavam próximas o suficiente para serem capturadas pela gravidade dos titãs, então eles não vão conseguir crescer muito além do que já fizeram.
Há um meio de criar novos buracos negros ainda maiores do que os supermassivos, no entanto: colisões de galáxias farão com que os buracos negros em seus centros cresçam. Mas as colisões não acontecerão indefinidamente porque o universo é grande e está se expandindo, fazendo com que as galáxias se afastem cada vez mais umas das outras. Portanto, é improvável que ocorra qualquer tipo de efeito descontrolado por parte dos buracos negros, ainda que não seja algo impossível.
Além disso, mesmo que algumas galáxias se fundam, como provavelmente acontecerá com a Via Láctea e Andrômeda, seus buracos negros centrais não colidirão entre si. O que pode acontecer é que eles, nas interações caóticas entre os objetos durante a fusão galáctica, encontrem novos alimentos, talvez até mesmo novas estrelas para engolir. Mas as chances de dois buracos negros se encontrarem é mínima.
7. Os buracos negros podem ficar menores?
O gráfico da esquerda é um modelo de um buraco negro astrofísico e como as partículas da Radiação Howking se comportariam; à direita está um diagrama de um experimento envolvendo um análogo a buracos negros feito em laboratório para comprovar a teoria de Hawking (Imagem: Reprodução/Nature/Nova)
Stephen Hawking propôs que, embora os buracos negros aumentem ao devorar material, eles também encolhem lentamente porque estão perdendo pequenas quantidades de energia chamadas de "radiação Hawking". Essa radiação ocorre porque o espaço não é realmente um vácuo, não é exatamente vazio. Na verdade, é um mar de partículas que surgem e desaparecem constantemente.
Em um estudo revolucionário, o físico mostrou que, se um par dessas partículas virtuais for criado arbitrariamente (seguindo o Princípio da Incerteza de Heisenberg) perto de um buraco negro, há uma chance de que uma delas seja puxada para dentro dele antes de ambas se anularem. Nesse caso, a outra partícula escapará para o espaço. A energia para compensar isso isso vem do próprio buraco negro, de modo que ele lentamente perde energia e massa por esse processo.
Eventualmente, em teoria, os buracos negros deverão evaporar através da radiação Hawking. Mas levaria muito mais tempo do que toda a idade do universo para que isso aconteça com a maioria dos buracos negros que conhecemos. Buracos negros, mesmo os que têm algumas vezes a massa do Sol, permanecerão por muito, muito tempo. Então ainda podemos aprender cada vez mais sobre eles.
8. Buracos negros podem ser portais para outras dimensões?
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Todos nós gostaríamos que a resposta para essa pergunta fosse "sim", simplesmente porque é muito divertido imaginar que existem portais dimensionais universo afora. Mas, provavelmente, esse não é o caso. Há vários cientistas que publicam estudos sobre as possibilidades de haver um buraco de minhoca dentro de um buraco negro, por exemplo, mas há bons motivos para não nos empolgarmos muito.
Então, porque os teóricos publicam estudos afirmando que é possível? E como eles chegam a essas conclusões? É que na Relatividade Geral, o espaço-tempo pode ser distorcido e comprimido por qualquer matéria que tenha massa — e essa distorção é o fenômeno que chamamos de gravidade. Se pudermos comprimir o espaço-tempo o suficiente, seria possível chegar a uma distância maior, viajando menos.
Isso faz sentido quando pensamos na analogia da folha de papel dobrada (que funciona como a imagem acima), mas os pesquisadores se baseiam principalmente cálculos matemáticos das equações de Einstein. Dependendo de como se resolve esses problemas, um buraco de minhoca pode se formar, criando um “atalho” no espaço-tempo.
Isso significa que se você caísse em um buraco de minhoca, talvez chegaria a um lugar a 10 milhões de anos-luz de distância em apenas alguns minutos, ou horas. Se você viajasse essa distância à velocidade da luz sem a ajuda de um buraco de minhoca, levaria 10 milhões de anos para chegar ao mesmo destino.
Infelizmente, na prática, as coisas são bem diferentes. Um dos problemas dos buracos de minhocas é que eles demandariam muita energia para permanecer estáveis por muito tempo, e mesmo que essa dificuldade fosse superada, haveria outros problemas para viajar em buracos de minhoca. Mesmo assim, às vezes ainda aparecem estudos sugerindo que esses "portais" possam existir dentro dos buracos negros ou vice-versa.
9. Que tamanho buracos negros podem ter?
O tamanho de um buraco negro depende de algo chamado raio de Schwarzschild, que é basicamente uma proporção entre a massa do corpo e o tamanho mínimo que esse corpo pode ter. Existe uma fórmula complicada para calcular o raio de Schwarzschild de qualquer coisa, desde que você saiba a massa: o raio de Schwarzschild do Sol, por exemplo, é de aproximadamente 3 km, e o da Terra é cerca de 9 mm.
Isso significa que o Sol pode ser espremido até ficar com raio de apenas 3 km (ou seja, 6 km de diâmetro) sem o risco de se tornar um buraco negro, mas o que acontece se a massa for compactada em um espaço ainda menor? Bem, a gravidade desse objeto seria tão grande que para escapar dela seria necessário ultrapassar a velocidade da luz.
Atualmente, os astrônomos não sabem exatamente qual o tamanho máximo que um buraco negro pode ter, pois para a Relatividade Geral, pode existir buracos negros de qualquer tamanho e massa. Mas certamente existe limite para tudo no universo, até mesmo para esses titãs cósmicos. Além disso, há um limite mínimo: não existe nenhum mecanismo conhecido capaz de formar buracos negros com menos de dez massas solares, aproximadamente.
Por fim, se estivermos falando do limite mínimo para buracos negros, podemos levar em conta que uma estrela precisa ter cerca de dez massas solares para o colapso. O raio de Schwarzschild para um objeto com dez massas solares é 29.54 km — os menores buracos negros deve ter um raio menor que este valor.
10. E a singularidade?
Quando cientistas fazem estudos sobre buracos negros, eles podem optar por usar um modelo teórico (como o buraco negro de Schwarzschild, ou algum outro) ou o que é conhecido como buraco negro astrofísico, que leva em conta apenas o que se pode ter certeza a respeito desses objetos. A singularidade não é uma dessas coisas, por isso às vezes ela é deixada de fora dos cálculos.
Singularidade gravitacional é o ponto onde toda a massa se achatou para formar o buraco negro. Esse ponto é tão pequeno que é inferior ao comprimento de Planck (10-20 vezes o raio do próton), com densidade que tende ao infinito. O problema disso é que a física não pode lidar com infinitos, tampouco com coisas menores que o comprimento de Plank. Portanto, a existência ou não da singularidade é algo discutido atualmente.
Fonte: solarsystem.nasa.gov
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