Estes buracos negros simplesmente não podem existir

Estes buracos negros simplesmente não podem existir

Por Daniele Cavalcante | Editado por Patrícia Gnipper | 01 de Abril de 2021 às 11h05
NASA/JPL-Caltech

Quando Albert Einstein elaborou a Teoria da Relatividade Geral, a comunidade científica se deparou com uma possibilidade maravilhosa — buracos negros deveriam existir. Porém, o próprio Einstein não acreditava que esses objetos eram reais e o tema foi alvo de muito debate, até que o primeiro buraco negro fosse detectado. Hoje, sabemos que eles existem aos montes, mas o dilema agora é outro: quais buracos negros hipotéticos são possíveis no universo real? E quais simplesmente não podem existir?

Existem ideias de todos os tipos sobre os buracos negros, mas a física que conhecemos impõe alguns limites no que diz respeito a tamanhos e massas. Ao mesmo tempo, nossa ciência atual permite buracos negros com determinadas características que ainda não foram descobertos, o que é maravilhoso, pois significa que ainda há muitas coisas fascinantes para encontrar no universo. Por outro lado, as restrições impostas ajudam os cientistas a não procurarem por algo que é impossível existir. Que tal conhecê-las?

Uma das coisas impossíveis de existir são buracos negros de massa solar, ou seja, com massa equivalente à do Sol. Também não faria sentido procurar por buracos negros ainda menores que isso, ou com até 2,5 massas solares, porque a física quântica não permite que eles se formem. Foi o próprio Max Planck, considerado o criador da teoria quântica, quem delimitou massas, distâncias e tempos que traçam uma linha entre o que é possível e o que não pode existir.

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Explicando os buracos negros

A primeira e única foto real de um buraco negro, com a adição da polarização da luz (Imagem: Reprodução/EHT Collaboration)

Para entender melhor, vamos recapitular o que é um buraco negro — quando uma matéria qualquer colapsa sobre sua própria gravidade, ela se torna um buraco negro. Embora saibamos que isso geralmente acontece apenas com objetos incrivelmente grandes como estrelas, poderia ocorrer com qualquer outra coisa, desde que outras forças além da gravidade, como a força eletromagnética, sejam “desligadas”.

Em outras palavras, se a gravidade atuasse sozinha ou dominasse sobre as demais forças sobre a matéria, toda a massa existente no universo entraria em colapso em um volume que seria pequeno demais — a singularidade — para comportar toda essa matéria, e se tornaria cada vez mais denso. Felizmente outras forças fundamentais estão em jogo, e a gravidade é a mais fraca delas.

Essas forças, em especial entre os elétrons de átomos vizinhos, não só mantêm as partículas todas unidas, como também resistem à força cumulativa da gravidade exercida por toda a massa do objeto. O único motivo para a matéria não colapsar e se condensar até se transformar em um buraco negro são as forças quânticas existentes entre as partículas fundamentais. Contudo, em estrelas com determinada massa, cujo núcleo se tornou muito denso e não há mais energia para fundir os metais pesados que foram forjados no núcleo estelar, colapsam em buracos negros.

Além da singularidade, existe o horizonte de eventos, que é a fronteira ao redor de um buraco negro a partir da qual a força da gravidade é forte o suficiente para impedir que a própria luz escape. Essa densidade incrível exerce tanta força gravitacional sobre a matéria ao seu redor que, para escapar dela, seria necessário ultrapassar a velocidade da luz. Como nem mesmo a luz pode se tornar mais rápida que isso, nada pode escapar do horizonte de eventos. Por isso, na foto real do buraco negro, vemos um círculo escuro no meio: aquele é o horizonte de eventos, e não podemos ver nada porque a luz não conseguiu escapar dele para chegar aos telescópios que fizeram a imagem.

Até aqui, falamos sobre o que os buracos negros são e o que todos têm em comum. Daqui em diante, veremos algumas situações nas quais eles não podem se formar. Muita calma nessa hora, pois as coisas podem ficar um pouco confusas — mas não chegam a ser um bicho de sete cabeças.

1. Os limites quânticos — a massa de Planck

Ilustração de um disco de acreção e o horizonte de eventos, ou "ponto de não retorno" (Imagem: Reprodução/NASA/CXC/M. Weiss)

Mas quais estrelas podem colapsar em buracos negros? A resposta está diretamente ligada à massa, porque existe um limite quântico mínimo que os buracos negros não podem ultrapassar. Abaixo de uma certa escala, no mundo quântico, existem relações inerentemente incertas entre várias propriedades. Por exemplo, sabemos que não podemos medir a posição e a velocidade de uma partícula ao mesmo tempo. Se tentarmos observar uma dessas propriedades, inerentemente perdemos a outra, restando apenas uma incerteza.

O mesmo vale para as medições de vida útil ou de comportamento em escalas de tempo extremamente curtas. É disso que se trata o princípio da incerteza de Heisenberg: há um limite para o quanto podemos saber simultaneamente sobre quaisquer duas grandezas complementares — como velocidade e posição, mas essa dupla é apenas um exemplo.

Se imaginarmos uma escala de distância de aproximadamente 10 ⁻³⁵ m (comprimento de Planck), ou menor, e fizermos alguns cálculos, saberemos que um fóton levaria 10 ⁻⁴³ s (uma unidade do tempo de Planck) para cruzá-la, o que é muitíssimo pouco tempo. Aqui, o princípio da incerteza diz que a incerteza de energia é tão grande que corresponde a uma massa de cerca de 22 microgramas, que é bem próximo à massa de Planck.

Mas o que tudo isso tem a ver com buracos negros? É que uma singularidade, aquele ponto sobre o qual toda a matéria da estrela colapsou, pode ter tamanhos muito minúsculos, a ponto de entrarmos no universo quântico se quisermos medir algumas de suas propriedades. Agora imagine um buraco negro com massa de 22 microgramas, quão grande seria o seu horizonte de eventos? A resposta é a mesma escala que imaginamos no parágrafo anterior: 10 ⁻³⁵ m, o comprimento de Planck.

Quando se alimentam demais, os buracos negros "arrotam" um jato de plasma (Imagem: Reprodução/NASA's Goddard Space Flight Center)

Quando Planck determinou essas medidas, ele fez mais que criar seu próprio sistema de unidades, ele demarcou limites críticos em escalas quânticas. Em comprimentos inferiores a este, tanto a mecânica quântica quanto a relatividade geral deixam de fazer sentido e não conseguem mais descrever os comportamentos de partículas. Os resultados que obtemos são absurdos. Espaços inferiores ao comprimento de Planck são um assunto popular entre físicos teóricos pois aqui, assim como na massa de Planck, residem alguns dos paradoxos mais desconcertantes sobre buracos negros.

Caso o raciocínio tenha ficado excessivamente técnico, aqui vai o resumo da ópera: esses números e limites nos dizem que 22 microgramas (a massa de Planck) é o tamanho mínimo que um buraco negro pode ter em nosso universo. Abaixo dele, qualquer afirmação que pudéssemos fazer seria fisicamente sem sentido. Agora, coloquemos à mesa a Radiação Hawking — se ela existe, os buracos negros de 22 microgramas evaporam em um tempo menor que 10 ⁻⁴³ s.

Lembre-se, nessas escalas, não podemos medir nada com precisão. Então não podemos descrever com precisão um buraco negro cuja massa é de 22 microgramas ou menos. Esse é o limite inferior quântico e abaixo dele qualquer afirmação que fizermos seria fisicamente sem sentido, por isso muitos físicos consideram que tal objeto não existe, simplesmente por não haver as condições necessárias para que ele se forme.

2. Radiação Hawking — 10¹² kg

Diagrama que explica como a radiação Hawking funciona. Partículas "gêmeas" são separadas pelo horizonte de eventos e o buraco negro perde energia no processo (Imagem: Reprodução/Nature)

Outra limitação também envolve a radiação Hawking. Por causa dela, buracos negros abaixo de uma certa massa já teriam evaporado. Na verdade, esse processo no qual os buracos negros “libertam” determinadas partículas fará com que todos os buracos negros do universo evaporem, mas levará um bom tempo para que isso aconteça, mais tempo do que a própria idade do cosmos. Essa informação é útil para determinar a massa possível para buracos negros, porque já sabemos a velocidade dessa evaporação.

Outra informação útil é que quanto menor for a massa do buraco negro, menor será o seu horizonte de eventos e, portanto, maior será a curvatura espacial naquele local crítico do espaço. A radiação é causada pela diferença dessa curvatura do espaço-tempo perto e longe do horizonte de eventos do buraco negro, então os buracos negros de menor massa evaporam mais rapidamente do que os de maior massa.

Tomemos como exemplo o Sol. Se ele fosse um buraco negro, levaria 10⁶⁷ anos para evaporar. Se a Terra fosse um buraco negro, ela evaporaria muito mais rápido, em apenas cerca de 10⁵¹ anos. O universo tem cerca de 13,8 bilhões de anos, então houve tempo o suficiente para que buracos negros de massa inferior a 10¹² kg (ou seja, um trilhão, o que pode parecer muito, mas é bem menor que a massa da Lua, por exemplo) evaporassem por completo. Em outras palavras, se esse buraco negro improvável já existiu em algum momento, não existe mais — evaporou.

3. Buracos negros solares não existem

Isso definitivamente não é um buraco negro de massa solar! (Imagem: Reprodução/ESO/M. Kornmesser)

Chegamos ao ponto em que podemos fazer algumas declarações um pouco mais ousadas. Por exemplo, a de que buracos negros abaixo de aproximadamente 2,5 massas solares (que podemos apelidar de buracos negros solares) provavelmente não existem. Podemos observar estrelas de massa solar, ou mesmo estrelas de nêutrons, se tornando buracos negros, mas com uma condição: a de que elas colidiram com outros objetos, de modo que a soma das massas ultrapasse 2,5 massas solares.

Isso significa que há um limite mínimo de massa para que uma colisão entre estrelas resulte em buracos negros, mas em medidas um pouco próximas desse limite as coisas já ficam estranhas. Por exemplo, astrônomos já observaram duas fusões entre duas estrelas de nêutrons, que nos mostraram o seguinte:

  • Uma dessas fusões teve uma massa combinada de 3,4 massas solares, e o resultado foi um buraco negro. Nenhuma surpresa, a física prevê que isso aconteça, e aconteceu.
  • Na segunda fusão, com massa combinada de 2,7 massas solares, o objeto resultante se comportou como uma nova estrela de nêutrons durante algumas centenas de milissegundos. Mas de repente passou a se comportar como um buraco negro, e depois nunca mais reapareceu.

Os astrônomos pensam que a segunda fusão em particular nos mostra perfeitamente a faixa de massa na qual objetos colapsados oscilam, e dependem de medidas muito precisas para que a física decida em que essas coisas vão se transformar.

Resumindo bem a conclusão dos pesquisadores, a faixa de massa que causa incertezas seria entre 2,5 e 2,8 massas solares, aproximadamente. Dentro dessa faixa, parece que o resultado final — um buraco negro ou uma nova estrela de nêutrons — dependerá da taxa de rotação do objeto que resultou da fusão. Legal, né?

4. E os buracos negros intermediários?

Ilustração de estrela sendo devorada por um buraco negro (Imagem: Reprodução/DESY Science Communication Lab)

Os astrônomos estão certos que já encontraram buracos negros de massa estelar (aqueles acima de 2,7 massas solares), que chegam até certo limite, e os supermassivos, que começam com alguns milhares, ou até bilhões de massas solares. Entre esses dois tipos, parece que há uma lacuna, uma espécie de monstro cósmico que ninguém ainda tem certeza se existe ou não. Esse “monstro” é apelidado de “elo perdido” dos buracos negros. Estamos falando dos intermediários.

Eles teriam massa grande demais para serem produzidos pelo colapso gravitacional de uma estrela massiva, porém pequenos demais para serem classificados como buracos negros supermassivos. Então, como eles se formam? E, mais importante, onde estão eles? A dificuldade em responder essas perguntas se deve em parte ao fato de que são menos ativos que os buracos negros supermassivos, pois vivem em galáxias e aglomerados pouco massivos e, portanto, há pouco material para se alimentar. Sem se alimentaram, não há emissão de raios X ou rádio para ser detectada.

Apesar disso, já existem alguns candidatos a buracos negros intermediários, mas até pouco tempo ainda não havia comprovação de que um deles seja de fato o que os astrônomos estão procurando. Havia certa preocupação de que buracos negros de massa intermediária não existissem, pois eles são realmente muito difíceis de encontrar. No entanto, dados recentes mostram que sim, possivelmente já foram descobertos alguns desses exemplares.

No ano passado, por exemplo, astrônomos anunciaram a descoberta da onda gravitacional mais intensa já observada pela ciência até então. Ela foi o resultado da colisão entre dois buracos negros, que tinham cerca de 85 e 66 massas solares, e resultaram na formação de um novo buraco negro de 142 massas solares, provavelmente em um aglomerado estelar. Além de ser o maior evento do tipo já encontrado, esse objeto poderia ser o primeiro “elo perdido” detectado. Então, estes provavelmente existem. Podem ficar tranquilos, caçadores de intermediários!

5. Buracos negros primordiais

Jato emitido pelo buraco negro supermassivo M87* (Imagem: Reprodução/EHT Collaboration)

Estes são ainda mais difíceis de encontrar e até o momento são apenas hipotéticos. Os buracos negros primordiais teriam se formado diretamente após o Big Bang, de algum modo. Alguns cientistas cogitam que a massa do universo nos primeiros milésimos de segundos após o Big Bang seria distribuída de modo desigual e, desse modo, algumas partes colapsaram e formaram buracos negros.

Mas não há evidências de que eles existam. Observacionalmente, muitas restrições foram colocadas sobre essa ideia, e alguns pesquisadores são até mesmo céticos sobre o assunto. Quando o universo nasceu, algumas regiões eram de fato mais densas do que outras (e sabemos disso graças a radiação cósmica de fundo), mas as restrições são severas. Segundo a matemática, para uma região no início do universo (naquela época ainda não existia a matéria como a conhecemos) colapsar em um buraco negro, seria necessário que ela tivesse massa 68% maior do que a média.

Infelizmente, a mesma radiação cósmica de fundo mencionada acima nos tira qualquer esperança de que isso tenha ocorrido. As flutuações dessa radiação apontam que as regiões mais densas eram apenas cerca de 0,003% acima da média. Isso tira um pouco do ânimo daqueles que buscam validar a hipótese dos primordiais, mesmo que essas regiões superdensas estejam hoje muitíssimo maiores, por causa da expansão do universo. Sem nenhuma evidência convincente, os astrônomos mantém a ideia classificada como especulação.

Se você pulou toda a parte da física teórica até chegar aqui, ou se leu mas restaram muitas dúvidas sobre os conceitos, lá vai mais um resumo para facilitar: há um limite inferior para buracos negros no universo que diz claramente “nenhum deles tem menos que 2,5 vezes a massa do Sol. E aqui vai uma curiosidade sobre o limite máximo: os buracos negros mais pesados ​​hoje têm cerca de 100 bilhões de massas solares, eles ainda devem crescer até ficarem mil vezes mais pesados ​​do que isso. Até que, em algum momento em um futuro muito, muito distante, todos eles irão irremediavelmente evaporar!

Fonte: Starts With a Bang

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