Buracos negros existem mesmo? Aqui estão 7 evidências e uma prova incontestável

Buracos negros existem mesmo? Aqui estão 7 evidências e uma prova incontestável

Por Daniele Cavalcante | Editado por Patrícia Gnipper | 26 de Agosto de 2021 às 13h11
Jingchuan Yu/Planetário De Pequim

Embora seja impossível ver um buraco negro diretamente, os astrônomos estão convictos que eles existem. Esses objetos misteriosos surgiram primeiro na teoria, como uma consequência do conjunto de regras descritas pela Relatividade Geral de Albert Einstein, mas ainda hoje pouco se sabe sobre o que acontece dentro deles. Mesmo assim, há boas razões para considerá-los tão reais quanto as estrelas que vemos no nosso céu noturno.

O que você encontrará abaixo são evidências da existência dos buracos negros, desde as primeiras pistas matemáticas até as detecções indiscutíveis desses objetos.

Previstos pela Relatividade Geral

(Imagem: Reprodução/NASA/CXC/U.Wisc-Madison/S. Heinz/Pan-STARRS)

Em 1916, um ano após a publicação do artigo de Einstein descrevendo a gravidade e a relação entre o espaço e o tempo, Karl Schwarzschild considerou que buracos negros eram uma consequência inevitável dessa teoria. Ou seja, se Einstein estava correto, então esses devoradores de matéria devem existir. Entretanto, o debate sobre o assunto era acadêmico e matemático, apenas o começo da história dos “monstros” invisíveis.

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Mais tarde, Roger Penrose e Stephen Hawking publicaram um artigo que mostra que qualquer objeto em colapso em um buraco negro formará uma singularidade — o ponto de tamanho infinitesimal e densidade que tende ao infinito, ou seja, onde as leis tradicionais da física e a matemática se quebram. Isso se tornou tão amplamente aceito que Penrose recebeu uma parte do prêmio Nobel de física de 2020.

Explosões de raios gama

(Imagem: Reprodução/NASA)

Na década de 1930, um astrofísico indiano chamado Subramanian Chandrasekhar descobriu haver um limite para a quantidade de gravidade que pode ser suportada pela matéria como a conhecemos. Isso ficou conhecido como limite de Chandrasekhar. Para exceder esse limite, um objeto precisa ser mais massivo que o Sol, e, como você já deve ter imaginado, as grandes estrelas são as candidatas perfeitas para comprovar se o indiano estava correto.

Dentro de uma estrela, átomos de elementos como hidrogênio e hélio estão em contante fusão em processos violentos e descontrolados. Isso gera pressão de dentro para fora, mais ou menos como uma panela de pressão. Por outro lado, o enorme campo gravitacional da estrela faz o contrapeso, impedindo que tudo exploda. Mas quando o “combustível” do núcleo estelar acaba, essa pressão interna diminui e permite que a massa e a gravidade vençam o combate. Elas continuam a pressionar a matéria em direção ao centro da estrela.

Se essa estrela ultrapassar 20 massas solares, o núcleo remanescente terá mais de três vezes a massa do Sol. Então, a gravidade assumirá o controle total, vencendo até mesmo a estrutura fundamental da matéria, as partículas mediadoras da força fraca e força forte. Nada resistirá e um poço gravitacional sem fundo surge no lugar que antes era ocupado por uma estrela brilhante. Desse poço, nem mesmo as partículas de luz conseguem sair. Eis o nosso buraco negro.

O colapso final do núcleo em buraco negro acontece em questão de segundos, e libera uma quantidade enorme de energia na forma de explosão de raios gama tão poderosa quando toda a energia liberada por uma estrela em toda sua vida. Os astrônomos já detectaram muitas dessas explosões, algumas de galáxias a bilhões de anos-luz de distância. Ainda não podemos provar que se tratam de buracos negros nascendo, mas é a observação concreta de um fenômeno previsto pela teoria que descreve os buracos negros.

A primeira evidência

A primeira evidência observacional de um buraco negro só veio em 1971, de um sistema binário chamado Cygnus X-1, localizado a cerca de 6.000 anos-luz. Ele produz alguns dos raios-X mais brilhantes do universo. Tornou-se a primeira fonte de raio-X aceita oficialmente como um sério candidato a buraco negro. Estima-se que um dos objetos do sistema tenha uma massa de 21 vezes a massa solar e é muito compacto para se tratar de uma estrela normal. O outro objeto é uma estrela 33 vezes a massa do nosso Sol.

Os raios-X detectados nesse sistema não emanam do próprio buraco negro, claro. O que ocorre é que ele está se alimentando constantemente da matéria de sua companheira em um processo que forma um disco de acreção ao redor do buraco negro.

Ondas gravitacionais

(Imagem: Reprodução/ESA/C.Carreau)

As ondas gravitacionais — ondulações no espaço-tempo causadas por eventos cataclísmicos que percorrem todo o universo — também são boas pistas, dessa vez ainda mais concretas, de que buracos negros existem. É que instrumentos sensíveis como o LIGO podem detectar essas ondas e, através desses dados, os cientistas podem descrever os objetos que lhes deram origem.

Muitas das ondas gravitacionais detectadas são formados através da colisão entre dois buracos negros. Isso ocorre porque, às vezes, estrelas binárias que orbitam uma à outra em espiral se tornam buracos negros. Eles continuam existindo em dupla, e a interação gravitacional entre eles cria ondulações no espaço-tempo mesmo antes de uma colisão. A primeira descoberta de uma onda gravitacional, feita em 2015 e anunciada em 2016, envolvia a fusão de dois buracos negros.

Efeitos nas estrelas

Às vezes, em um sistema de estrelas binárias (ou com mais de duas estrelas, embora esse caso seja mais raro), apenas uma delas se torna um buraco negro, enquanto a outra continua em sua forma original ou se tornam anãs brancas. Se estiverem próximas o suficiente, o buraco negro deixará seus rastros ao interagir com a matéria emitida pela companheira.

Um desses sistemas é o HR 6819, encontrado em 2020. Os astrônomos notaram estranhezas no movimento das duas estrelas visíveis que só poderiam ser explicadas se houvesse um terceiro objeto. Mas ele não estava lá, ou melhor, não havia nada que denunciasse visualmente sua presença. Quando calcularam a massa do sistema, ficou evidente que a única possibilidade era que existia um buraco negro por lá.

Buracos negros supermassivos

(Imagem: Reprodução/ESO/M. Kornmesser)

Algumas galáxias emitem um brilho bastante incomum. Na década de 1950, os astrônomos encontraram algumas fontes de emissão de rádio bem estranhas, a maioria sem um objeto visível que pudesse ser apontado como a “origem” dessas emissões. Essa descoberta gerou muito debate e especulação, sem que ninguém soubesse ao certo do que se tratava. Linhas espectrais muito estranhas foram encontradas nesses objetos, além de um redshit bem alto, o que sugeria que eles estavam em grandes distâncias cosmológicas.

Em 1964, o mistério ainda era grande, e o nome “fontes de rádio quase estelares” ganhou fama. Houve algumas sugestões de que eles eram feitos de uma forma até então desconhecida de antimatéria estável, enquanto outros especulavam que os quasares eram um buraco branco no fim de um buraco de minhoca. Foi só em 1980 que os modelos que mostravam quasares como galáxias ativas foram amplamente aceitos.

Existem muitos tipos de galáxias ativas, tais como quasares, Seyfert e Radiogaláxias, cada qual com uma intensidade de radiação emitida. Hoje, os astrônomos aceitam que todas elas são um fenômeno causado por buracos negros supermassivos no centro das galáxias. A medida que material (poeira, por exemplo) cai em direção ao buraco negro, ele vai se espiralando e formando um disco de acreção para conservar o momento angular. Este disco se aquece até o ponto que começa a emitir radiação.

(Imagem: Reprodução/ESA/Hubble)

Em uma de cada dez galáxias ativas, este disco também produz um jato de partículas energéticas perpendicular ao disco e em direções opostas, conhecidos como jatos relativísticos. Então, as galaxias ativas podem ser classificadas com base na massa do buraco negro, taxa de absorção de material pelo buraco negro, pela existência ou não dos jatos e pelo ângulo de visada da galáxia.

Uma das grandes evidências da existência de buracos negros supermassivos está em nossa própria galáxia. Embora a Via Láctea não seja uma galáxia ativa, as estrelas mais próximas de seu núcleo possuem uma órbita muito rápida, girando até 8% da velocidade da luz. Isso sugere que elas estão orbitando algo extremamente pequeno e massivo. Reinhard Genzel e Andrea Ghez ganharam o Prêmio Nobel por essa descoberta.

Espaguetificação

 (Imagem: Reprodução/DESY Science Communication Lab)

Outra evidência da existência de buracos negros é o fenômeno que os cientistas afirmam ocorrer quando um objeto cai no buraco negro. A espaguetificação — um nome muito sugestivo para se referir ao alimento dos buracos negros — acontece por causa das forças de marés, ou seja, pela incrível força gravitacional do buraco negro. A parte de um objeto mais próxima do devorador cósmico será puxada com mais força que a parte mais afastada.

O resultado desse “puxa-puxa” é semelhante a um pedaço de plástico fico quando o esticamos. A matéria pode ser tão esticada que se transforma em filamentos extremamente compridos e finos, dando voltas ao redor do buraco negro. Em outubro de 2020, os astrônomos testemunharam uma espaguetificação quando detectaram um flash de uma estrela se transformando em comida de buraco negro.

A primeira imagem direta real

(Imagem: Reprodução/EHT Collaboration)

Nós podemos dizer que temos muita sorte de vivermos na época em que um buraco negro, objeto alvo de especulações desde 1915, foi fotografado pela primeira vez. Essa façanha história aconteceu em abril de 2019, colocando um ponto final em qualquer discussão que porventura houvesse a respeito da existência desses objetos.

A foto do buraco negro no centro da galáxia ativa Messier 87 foi tirada pelo projeto Telescópio Event Horizon, que é uma grande rede de telescópios espalhados por todo o mundo. O resultado mostra a sombra escura do buraco negro de 6,5 bilhões de massas solares e o brilho de seu disco de acreção circundante. Abaixo, está também a foto dos jatos relativísticos deste mesmo buraco negro.

(Imagem: Reprodução/HST/STScI/Daniele Cavalcante)

Fonte: LiveScience

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