Asimov Explica #2 – O que são Buracos Negros?

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Bem-vindo(a) à segunda postagem da série Asimov Explica. Se você não faz ideia do que é a série, dê uma olhada no primeiro artigo: Asimov Explica #1 – O que é o Método Científico?

Afinal, o que são buracos negros?

A resposta do bom doutor:

A fim de compreender o que é um buraco negro, consideremos primeiramente uma estrela como nosso Sol. O Sol tem um diâmetro de 1.391.400 km e uma massa que é 330.000 vezes maior que a da Terra. Admitindo-se tal massa e diâmetro, qualquer coisa situada na superfície solar estaria sujeita a uma atração gravitacional aproximadamente 28 vezes maior que a existente na superfície terrestre.

Uma estrela comum mantém seu tamanho usual mediante o equilíbrio sobre uma temperatura interna extremamente elevada, que tende a expandir a substância solar, e a enorme atração gravitacional, que tende a contraí-la e mantê-la comprimida.

Em algum estágio de sua evolução, a temperatura interna pode diminuir, não mais contrabalançando a força gravitacional. A estrela começa a se contrair, rompendo-se, no processo, a estrutura dos átomos em seu interior. Em lugar de átomos, encontram-se elétrons, prótons e nêutrons isolados. A contração prossegue até o momento em que a repulsão mútua entre os elétrons resiste a qualquer contração adicional.

Temos uma “anã branca”. Se uma estrela semelhante a nosso Sol fosse convertida numa anã branca, teria toda a sua massa comprimida numa esfera de diâmetro de 16.000 quilômetros e uma gravidade superficial (mantendo-se a mesma massa, mas a uma distância muito mais próxima do centro) duzentas e dez mil vezes mais intensa que a da Terra.

Em determinadas condições, a atração gravitacional torna-se tão intensa que nem mesmo a repulsão entre elétrons é capaz de resistir à contração. A estrela continua a se contrair, fazendo com que elétrons e prótons se combinem para formar nêutrons, e vai encolhendo até o ponto em que todos os nêutrons estejam em contato. A estrutura de nêutrons assim formada resiste a qualquer contração ulterior e o resultado é uma “estrela de nêutrons”, que possui uma massa equivalente à do Sol concentrada numa esfera de apenas 16 quilômetros de diâmetro e uma gravidade superficial 210.000.000.000 vezes a da Terra.

Em determinadas circunstâncias, a gravidade pode suplantar até mesmo a resistência da estrutura de nêutrons. Nesse caso, nada resta que possa deter o colapso. Aestrela pode encolher até que seu volume reduza-se a zero e sua gravidade superficial cresça a um valor infinito.

De acordo com a teoria da relatividade, a luz emitida por uma estrela perde parte de sua energia ao resistir ao campo gravitacional da estrela. Quanto mais intenso o campo, tanto maior a perda de energia. Este efeito já foi verificado por observações astronômicas e observações feitas em laboratório.

A luz emitida por uma estrela comum, semelhante ao Sol, perde muito pouca energia enquanto a emitida por uma anã branca perde mais e a emitida por uma estrela de nêutrons ainda mais. Se o colapso da estrela de nêutrons prosseguir, chega um ponto em que a luz proveniente da superfície perde toda sua energia, não conseguindo mais escapar.

Objetos mais compactos do que estrelas de nêutrons geram um campo gravitacional tão intenso que tudo que deles se aproximar é capturado, jamais podendo sair novamente. É como se o objeto capturado caísse num buraco de profundidade infinita e nunca mais parasse de cair. Além disso, como acabei de explicar, nem mesmo a luz consegue escapar, razão pela qual o objeto contraído é negro. Na verdade, trata-se de um “buraco negro”.

Atualmente [época dele], astrônomos estão buscando por todo o universo evidências que comprovem a existência efetiva de buracos negros.

Comentários

A primeira discussão sobre buracos negros apareceu em 1783, com John Michell argumentando o seguinte: se atirarmos algo para cima, esse objeto vai perder velocidade até parar (por um instante) e começar a cair. No entanto, se a velocidade inicial for maior que a velocidade de escape (mínima para entrar em órbita), a gravidade da Terra nunca vai parar esse objeto.

A velocidade de escape da Terra é de 12 Km/s. A do Sol, 618 Km/s. Essas velocidades são efêmeras perto da velocidade da luz (cerca de 300.000 Km/s, no vácuo). A luz pode sair da Terra e do Sol com facilidade. Porém, Michell argumentava que poderiam haver estrelas muito mais massivas que o Sol com velocidades de escape maiores que a da luz. Não conseguiríamos ver tais estrelas, pois a luz não seria capaz de escapar delas. Michell chamou essas estrelas de estrelas escuras, que hoje chamamos de buracos negros.

Os trabalhos mais antigos que conhecemos sobre buracos negros são da época da Primeira Guerra Mundial, feitos pelo alemão Karl Schwarzschild (astrônomo,  físico e, devido à guerra, soldado) que morreu seis meses depois. Seus resultados, com os buracos negros escondidos lá, levaram meio século para serem entendidos e aceitos. Ele descobriu uma solução das equações da Relatividade Geral de Albert Einstein que descreve um buraco negro. Não tinha rotação, era do tipo mais simples de todos, mas tinha a característica que define todo buraco negro: uma região da qual nada escapa.

A descoberta de Schwarszchild ficou incompreendida por muitos anos e, consequentemente, a importância do resultado não foi reconhecida. O próprio Einstein não acreditava em buracos negros.

O termo “buraco negro” foi iniciado pelo físico norte-americano John Wheeler e é o nome dado a uma região do espaço em que a atração gravitacional é tão intensa que nada escapa de seu interior. Essa região é delimitada pelo chamado Horizonte de Eventos e ela diz até onde um observador externo consegue obter alguma informação do evento estudado. Como no inferno na Divina Comédia, obra clássica de Dante Alighieri, tudo o que passasse dessa fronteira não poderia retornar, incluindo a luz.

As pessoas costumam achar que buracos negros sugam o que passa perto deles. Isso não é verdade, buracos negros não sugam nada! Por ser bem pequeno em relação a outros objetos de mesma massa, a gravidade num buraco negro é muito forte. Gravidade essa que age da mesma forma em qualquer objeto – tanto que se o Sol fosse substituído por um buraco negro de mesma massa, a órbita da Terra não mudaria!

Evidências

Foi a partir da descoberta dos quasares, em 1963, que houve um grande crescimento de trabalhos teóricos sobre buracos negros e formas de detectá-los. Por não emitir nem refletir luz, um buraco negro é muito difícil de se observar, então sabemos que tal objeto existe por evidências indiretas.

A grande maioria dos astrônomos está convencida de que conjuntos de estrelas compactas que não são observadas diretamente são, de fato, buracos negros. A título de exemplo, existe um sistema estelar, conhecido por todos, chamado A0620-00. Este é um sistema binário em que se observa uma estrela orbitando um objeto escuro. Esse objeto não poderia ser, por exemplo, uma estrela de nêutrons, pois sua massa ultrapassa o limite de tais estrelas. Acredita-se, portanto, que o objeto se trate de um buraco negro. Além da questão da massa, podemos “ver” buracos negros pela emissão de raios X do gás quente que é atraído pelo buraco. Muitos estudos buscam entender anãs brancas, estrelas de nêutrons e buracos negros por esses gases (temperatura, brilho, etc) que vão ao centro desses objetos.

Radiação

Apesar de muito baixas, buracos negros têm temperatura. Um buraco negro com poucas massas solares tem uma temperatura de cerca de um milionésimo de grau (0,000001°) acima do zero absoluto. Quanto maior o buraco negro, menor é sua temperatura. Assim, qualquer radiação desses caras seria encoberta pela radiação cósmica de fundo (2,7 graus), que é a radiação restante do Big Bang.
Pelo que já foi dito, a radiação dum buraco negro (radiação Hawking) é mais facilmente detectada em buracos negros pequenos, pois a temperatura deles supera a dos grandes. Por essa razão, foi criado em laboratório um buraco negro acústico para observar a radiação Hawking. Vou mostrar aonde quero chegar com as palavras do próprio Hawking: “Seria possível detectar a radiação de buracos negros muito menores e mais quentes, mas não parece haver muitos deles ao nosso redor. É uma pena. Se um deles fosse descoberto, eu ganharia um Prêmio Nobel”. Em “O Universo Numa Casca de Noz”.

Tempo

Conforme o observado se aproxima do buraco negro, a luz emitida pelo primeiro vai passando de azul para vermelho, até ficar invisível nas proximidades do horizonte de eventos. Imagem baseada na figura 2.14, em Retalhos Cósmicos de Marcelo Gleiser.

Imagine que você está observando uma espaçonave que vai em direção a um buraco negro. Essa espaçonave emite pulsos de luz azuis em intervalos fixos. Podemos usar os pulsos de luz para marcar o tempo, já que qualquer fenômeno repetitivo serve de relógio. Diremos que uma unidade de tempo é o tempo gasto entre dois pulsos consecutivos. Conforme a espaçonave se aproxima do horizonte de eventos, você nota que o tempo entre dois pulsos está maior, o tempo está se dilatando! Além disso, você também percebe que a luz está ficando com um tom cada vez mais avermelhado, indicando que sua frequência está diminuindo (tons de vermelho têm frequências menores que tons de azul). Depois de passar pelo horizonte, você não vê mais a luz. Motivo? O tempo praticamente fica estático para a espaçonave e a luz, cuja frequência vinha diminuindo, desaparece – a frequência fica muito abaixo do espectro visível a olho humano. A consequência desses efeitos é a de que nenhum observador externo ao horizonte de eventos pode ver o que ocorre após o horizonte.

Conclusão

“O céu é fascinante pelo que vemos, e ainda mais pelo que esconde.” Em Buracos Negros: Rompendo os limites da ficção.

Buracos negros são essenciais para a astrofísica e o entendimento do que ocorre no interior deles pode ajudar na busca por uma teoria da gravitação que inclua a física quântica, o que consistiria na teoria mais importante de toda a física.

Referências

  1. ASIMOV, Isaac. Asimov Explica. Francisco Alves, 1986.
  2. VANZELLA, Daniel; MATSAS, George. Buracos negros: Rompendo os limites da ficção. Vieira & Lent, 2008.
  3. FRANCIS, Matthew. What We Know About Black Holes. Scientific American, 2011. Disponível em: <http://blogs.scientificamerican.com/guest-blog/what-we-know-about-black-holes-the-game-is-afoot/>. Acesso em: 12 set. 2016.
  4. HORVATH, J. E.; CUSTÓDIO, P. S.. Os Buracos Negros na ciência atual: Um brevíssimo manual introdutório. São Paulo: Livraria da Física, 2012.
  5. GLEISER, Marcelo. Retalhos Cósmicos. Schwarcz, 1999.
  6. HORVATH, J. E.. O ABCD da Astronomia e Astrofísica. Livraria da Física, 1998.
  7. HAWKING, Stephen W.. Uma Breve História do Tempo: Do Big Bang aos Buracos Negros. Rocco, 1988.
  8. HAWKING, Stephen W.. O Universo numa casca de noz. Saraiva e Nova Fronteira, 2001.
  9. OLIVEIRA, Douglas Rodrigues Aguiar de. Criado um buraco negro acústico para observar a radiação Hawking. Universo Racionalista, 2016. Disponível em: <http://www.universoracionalista.org/criado-um-buraco-negro-para-observar-a-radiacao-hawking/>. Acesso em: 12 set. 2016.
  10. PLAIT, Phil. Ten things you don’t know about black holes. Discover Magazine, 2008. Disponível em: <http://blogs.discovermagazine.com/badastronomy/2008/10/30/ten-things-you-dont-know-about-black-holes/#.V-A023UrLeS>. Acesso em: 12 set. 2016.
  11. NERDOLOGIA. Buraco Negro. 2014. Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=ThG5RHBR7dA>. Acesso em: 11 set. 2016.
  12. NEMMEN, Rodrigo. 17 maneiras de ser morto(a) por um buraco negro. 2014. Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=VAefEkaj_ak>. Acesso em: 10 set. 2016.
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