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 tomoui 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.
O
trabalhos de evaporação de buraco negro ocorre 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 físicas. 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 vem 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.