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Tudo o que você sempre quis saber sobre buracos negros


Os buracos negros sempre parecem estar nas notícias – especialmente quando os cientistas revelam a primeira foto de um deles, ou quando um pesquisador israelense criou um buraco negro artificial (mais ou menos) em seu laboratório.

Os buracos negros são provavelmente os mais estranhos – e certamente os mais intrigantes – objetos do universo. E, no entanto, os buracos negros são estranhamente familiares, figurando de forma proeminente na cultura pop (tanto Matthew McConaughey quanto Homer Simpson tiveram encontros perigosos com eles). Mas qual é exatamente a natureza desse fenômeno bizarro? Aqui está o que sabemos – e não sabemos.

@FAECIASP/NASA/CONICET OF ARGENTINA/GETTY IMAGES

O QUE É UM BURACO NEGRO?

Um buraco negro é uma região do espaço na qual a gravidade exerce uma atração tão enorme que nada – nem mesmo a luz – pode escapar. Essa é a definição simples de um buraco negro. Mas se você falar com um físico, eles também descreverão um buraco negro como uma região de espaço-tempo muito curvado – tão curvado, na verdade, que é “comprimido”, por assim dizer, do resto do universo.

Essa ideia de espaço-tempo curvo remonta ao trabalho de Einstein. Foi há pouco mais de 100 anos que Einstein apresentou sua teoria da gravidade, conhecida como teoria geral da relatividade. De acordo com a teoria, a matéria curva, ou distorce, a própria estrutura do espaço. Um pequeno objeto como a Terra causa apenas uma pequena distorção; uma estrela como o nosso Sol causa mais deformação. E um objeto muito pesado e denso? De acordo com a teoria de Einstein, se você espremer massa suficiente em um espaço pequeno o suficiente, ele sofrerá um colapso, formando um buraco negro; a quantidade de empenamento se tornará infinita.

A fronteira do buraco negro é conhecida como “horizonte de eventos” – o ponto sem retorno. A matéria que cruza o horizonte de eventos nunca pode retornar ao exterior. Nesse sentido, o interior de um buraco negro nem mesmo faz parte do nosso universo: o que quer que esteja acontecendo lá, nunca podemos saber, pois nenhum sinal de dentro pode chegar ao exterior. De acordo com a relatividade geral, o centro de um buraco negro conterá uma “singularidade” – um ponto de densidade infinita e de espaço-tempo infinitamente curvo.

COMO É CRIADO UM BURACO NEGRO?

Os buracos negros têm tamanhos diferentes. Quando uma estrela suficientemente massiva esgota seu suprimento de combustível nuclear – isto é, quando não pode mais produzir energia por meio de uma reação de fusão em seu núcleo – ela explode (isso é chamado de supernova, na qual a estrela derrama material de suas camadas externas ); o núcleo restante então se contrai, devido à gravidade. Se a estrela tinha cerca de 20 vezes a massa do Sol, nada pode impedir essa contração, e a estrela colapsa até ficar menor que seu próprio horizonte de eventos, tornando-se um buraco negro. Eles são chamados de buracos negros de massa estelar, uma vez que suas massas são iguais às massas das estrelas.

Mas também existem buracos negros gigantes, com massas iguais a milhões de estrelas. Acredita-se que esses buracos negros “supermassivos” estejam localizados no centro da maioria das galáxias, incluindo nossa Via Láctea. Os teóricos acreditam que eles evoluíram junto com as galáxias que os abrigam. Também há especulação de que buracos negros microscópicos ou “primordiais” podem ter sido criados na época do Big Bang.

OS BURACOS NEGROS PODEM SER VISTOS?

Como os buracos negros não emitem luz, não há como vê-los diretamente. No entanto, os astrônomos foram capazes de inferir sua existência com base em observações de estrelas comuns que orbitam um buraco negro como parte de um sistema estelar binário. Às vezes, o buraco negro “engole” o material da estrela companheira. Conforme esse material gira em torno do buraco negro, ele se aquece devido ao atrito; como resultado, ele emite raios-X, que podem ser detectados na Terra. (Os raios X são emitidos antes de o material cruzar o horizonte de eventos do buraco negro.) Foi assim que o primeiro buraco negro a ser detectado, conhecido como Cygnus X-1, foi encontrado.

UM BURACO NEGRO PODE MATAR VOCÊ?

Como os buracos negros estendem o tempo e também o espaço, um astronauta azarado o suficiente para cair no buraco vê algo bem diferente do que um observador observando de uma distância segura observaria. Do ponto de vista do azarado astronauta, as coisas não vão bem. No caso de um buraco negro de massa estelar, ela sentirá algo chamado “forças de maré” – o puxão desigual em seus pés em comparação com sua cabeça (supondo que ela entre no buraco com os pés). O astronauta ficaria esticado como espaguete, como Stephen Hawking disse claramente.

No caso de um buraco negro supermassivo, as forças de maré no horizonte de eventos são menos severas; o astronauta pode não sentir que nada incomum está acontecendo ao cruzá-lo. No entanto, ele está condenado; conforme ele se aproxima da singularidade, as forças das marés inevitavelmente a dilacerarão, antes que ele seja esmagada no esquecimento.

Mas a visão de fora é bem diferente. Por causa do alongamento do tempo – os físicos chamam de “dilatação do tempo” – um observador localizado longe do horizonte de eventos nunca realmente vê o astronauta encontrar seu destino. Em vez disso, a vemos se aproximar cada vez mais do horizonte de eventos, mas nunca o cruzando. Se pudéssemos ver o relógio dele, o veríamos passando cada vez mais devagar. Ele acabaria “congelado” na beira do buraco negro. Não há resposta certa ou errada para a pergunta “Como está o astronauta?” Realmente depende do seu quadro de referência.

VOCÊ PODE ESCAPAR DE UM BURACO NEGRO?

A resposta curta é, provavelmente não. Mas os físicos especularam sobre a existência de “buracos de minhoca” – uma espécie de túnel no espaço-tempo conectando um buraco negro a outro. Quando Carl Sagan estava trabalhando em seu romance Contact, ele pediu ao físico Kip Thorne que sugerisse um método pelo qual a heroína da história pudesse viajar rapidamente da Terra para a estrela Vega (cerca de 26 anos-luz de distância); Thorne refletiu sobre o assunto, eventualmente sugerindo que um buraco de minhoca poderia resolver o problema. Isso foi bom o suficiente para o livro de Sagan (mais tarde transformado em um filme estrelado por Jodie Foster) – mas, como Thorne reconheceria mais tarde, buracos de minhoca são uma ideia altamente especulativa, e ele duvida que eles realmente sejam encontrados em nosso universo. (Thorne emprestaria novamente sua experiência aos cineastas para o filme Interestelar de 2014, onde os buracos negros desempenham um papel central.)

QUANDO OS BURACOS NEGROS MORREM?

Antes do trabalho de Stephen Hawking na década de 1970, pelo que sabíamos, os buracos negros permaneciam para sempre. Mas Hawking, junto com o físico Jacob Beckenstein, mostrou que os buracos negros na verdade emitem um tipo de radiação (agora conhecida como radiação Hawking). Essa radiação carrega energia, o que significa que, em escalas de tempo muito longas, os buracos negros deveriam simplesmente evaporar no nada. (Os teóricos que analisaram os números acreditam que esse processo deve levar bilhões e bilhões de anos – a era da “evaporação do buraco negro” está em um futuro distante; em comparação, a idade atual do nosso universo – cerca de 14 bilhões de anos – é um mero pontinho. )

O anúncio de que Jeff Steinhauer, físico do Instituto de Tecnologia Technion-Israel em Haifa, havia criado um buraco negro artificial análogo se refere diretamente à questão da evaporação do buraco negro. O experimento de Steinhauer não usou gravidade; em vez disso, ele usou um tubo cheio de átomos ultrafrios em um estado peculiar conhecido como condensado de Bose-Einstein. Então ele acelerou os átomos para que eles se movessem mais rápido que o som (mas na verdade ainda bem devagar, já que o som só pode se mover lentamente em tal condensado), criando um horizonte de eventos “acústico”, como os pesquisadores o descrevem. Pense nisso como engolir som em vez de luz, como um buraco negro faz. O experimento produziu mais do que apenas um horizonte de eventos – ele produziu o equivalente à radiação Hawking, diz Steinhauer.

Se o experimento aguentar o escrutínio, pode ser visto como um reforço do argumento para a evaporação do buraco negro. A comunidade da física reagiu com cautela. Silke Weinfurter, da Universidade de Nottingham, no Reino Unido, disse à Nature: “Este experimento …é realmente incrível, [mas] não prova que a radiação Hawking existe em torno de buracos negros astrofísicos.”

Faz diferença se os buracos negros evaporam? Se você é um físico, sim. O problema tem a ver com “informação”. De acordo com a mecânica quântica, as informações – os números que descrevem a massa de uma partícula, a velocidade com que ela gira e assim por diante – não podem ser criadas nem destruídas. Mas quando algo cai em um buraco negro, qualquer informação contida parece desaparecer. Pior ainda, quando o buraco negro evapora, a radiação Hawking emitida é toda embaralhada; as informações originais parecem perdidas para sempre. Embora uma série de soluções possíveis tenham sido apresentadas, esse paradoxo da perda de informações continua sendo um dos problemas mais urgentes da física teórica.

COMO SÃO ESTUDADOS OS BURACOS NEGROS?

Em 2016, os cientistas anunciaram a descoberta de ondas gravitacionais emitidas por um par de buracos negros em fusão (e, alguns meses depois, um segundo par de buracos negros em colisão foi anunciado). As ondas gravitacionais são ondulações no espaço-tempo; embora preditos pela relatividade geral, eles escaparam da detecção por um século e só foram presos com a conclusão dos detectores LIGO (Laser Interferometer Gravitational wave Observatory). Tal como acontece com os primeiros tipos de observações, a evidência é indireta – não vemos realmente os buracos negros – mas a força e o perfil dessas ondas gravitacionais combinam perfeitamente com a teoria de Einstein e com a física conhecida dos buracos negros.

O que vem a seguir no horizonte (de eventos)?

Em 10 de abril de 2019, tivemos um vislumbre do horizonte de eventos de um buraco negro, graças ao Event Horizon Telescope. Com o poder combinado de todo o conjunto de radiotelescópios que abrangem o globo, os astrônomos produziram uma imagem detalhada da radiação emitida por gás e poeira pouco antes de cruzar o horizonte de eventos de um buraco negro na galáxia Messier 87, a cerca de 55 milhões de anos-luz da Terra.

O próximo alvo principal do Event Horizon Telescope será o buraco negro supermassivo no centro de nossa galáxia – um objeto conhecido como Sagittarius A*. Por estar tão longe da Terra (cerca de 25.000 anos-luz), aparece como uma mera alfinetada no céu; nenhum telescópio tem o poder de resolução para mostrar o que está acontecendo em detalhes.


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