O que é buraco negro?

Buracos negros são pontos no universo onde a matéria se condensou absurdamente e criou um campo gravitacional impossível de se escapar. Por isso, eles são considerados alguns dos objetos mais perigosos do universo, como aspiradores de pó cósmicos capazes de devorar qualquer coisa. Mas não é bem assim. Na verdade, eles são muito mais simples — e até inofensivos — do que aparentam.

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O que são buracos negros?

Podemos definir os buracos negros como objetos muito pequenos e muito massivos. Em outras palavras, são densos e possuem um campo gravitacional tão forte que algumas coisas extraordinárias acontecem ao redor deles. Por exemplo, a distorção do espaço-tempo e a dilaceração da matéria capturada.

A gravidade perto desses objetos é tão poderosa que forma algo chamado "horizonte de eventos", também conhecido como "o ponto de não retorno". Ao ultrapassar essa região de um buraco negro, nem mesmo a luz consegue escapar. O motivo disso veremos mais adiante.

Quais são os tipos de buracos negros?

Os astrônomos já observaram dois tipos de buracos negros: os de massa estelar e os supermassivos. Além destes há duas outras categorias que, teoricamente, deveriam existir, porém ainda não foram observadas.

Buracos negros supermassivos

Atualmente, os cientistas têm bons motivos para considerar que existe um buraco negro supermassivo no centro de quase todas (senão todas) as galáxias do universo. Eles possuem massa inacreditável, de milhões a dezenas de bilhões de massas solares. Alguns deles, ao se alimentarem de matéria ao seu redor, emitem um itenso "brilho" em ondas de rádio e raios-X.

Quando buracos negros supermassivos brilham mais que o normal, os astrônomos colocam suas galáxias hospedeiras em uma categoria chamada núcleo galáctico ativo, e em uma das seguintes sub-categorias: quasares, seyfert, radiogaláxia, quasar, blazar e BL Lacertae. Ainda não se sabe como buracos negros supermassivos se formaram.

Buracos negros de massa estelar

São os mais numerosos, porque se formam quando uma estrela muito massiva colapsa sobre si mesma. Às vezes, ocorre uma explosão em supernova e, em seguida, a matéria densa e massiva se transforma em buraco negro; em outros casos a estrela colapsa direto em um buraco negro, sem deixar rastros visíveis.

Esses buracos negros podem ser tão massivos quanto o limite de massa das estrelas gigantes, isto é, 65 massas solares. Apenas estrelas acima de dez massas solares podem se tornar buracos negros, então estas são as restrições de massa para um buraco negro estelar.

Buracos negros intermediários

Os buracos negros intermediários são aqueles mais massivos que qualquer estrela existente no universo, mas menores que os supermassivos. O astrônomos levaram muito tempo para encontrar objetos candidatos a compor essa categoria, então ela ainda permanece um mistério.

Eles são considerados o “elo perdido” da evolução dos buracos negros, principalmente porque alguns cientistas cogitam que eles sejam as “sementes” que, após se alimentar por alguns milhões de anos, evoluem para supermassivos. Por isso, os astrônomos se esforçam muito para encontrá-los, detectando alguns candidatos apenas recentemente.

Buracos negros primordiais

Estes são ainda mais difíceis de encontrar, porque, se realmente existirem, estão muito longe para observarmos. Os astrônomos ainda não sabem se eles seriam gigantescos ou nuvens de buracos negros muito pequenos, mas há diversos artigos que trabalham com diferentes hipóteses.

Os buracos negros primordiais teriam se formado diretamente após o Big Bang, talvez nos primeiros milésimos de segundo após o evento no início do universo. Suspeita-se que parte da massa na grande expansão (o Big Bang não foi uma explosão, e sim uma inflação cósmica) teria sido distribuída de modo desigual e, desse modo, algumas partes colapsaram e formaram buracos negros. Mas tudo isso ainda é hipótese.

Como se formam os buracos negros?

Para entender como esses objetos se formam, é preciso invocar duas das teorias mais fundamentais da física moderna e suas consequências em ambientes extremos. Então, vale a pena conhecer um pouco da ciência que levou à compreensão sobre buracos negros e à confirmação da existência deles.

Em 1905, o físico alemão Albert Einstein publicou um artigo que trouxe uma ideia revolucionária, mas pautado em dois postulados muito simples. Primeiro, as leis da física são as mesmas independente do referencial em que você estiver. Segundo, a velocidade da luz é a mesma para todo observador.

Embora sejam simples, esses postulados têm implicações muito estranhas, por assim dizer. Por exemplo, se você estivesse viajando a 90% da velocidade da luz e acender o farol da sua nave, você verá ver a luz desse farol se propagar na velocidade da luz. Não importa se esse farol está na traseira ou dianteira da nave, nem mesmo a velocidade dela. A luz é constante, sempre.

Isso também significa que tanto espaço quanto tempo não podem ser constantes. Ou seja, quanto mais rápido você viaja, mais lenta será a passagem do tempo para você do que para uma pessoa parada. Outra curiosidade esquisita é que as distâncias também bem ficam menores à medida que você acelera. Isso significa que, a partir de 1905, o espaço e o tempo não podiam mais ser vistos como coisas separadas. Eles precisam ser considerados como uma coisa só.

Havia alguns problemas na primeira teoria de Einstein, a Relatividade Restrita, que só vieram a ser resolvidos dez anos depois, com a Relatividade Geral. Aqui, as coisas ficaram realmente revolucionárias. Einstein aplica a relatividade restrita para o universo inteiro, o que resolve os problemas anteriores, e ainda explica a gravidade de maneira nunca imaginada antes.

Agora, com a Relatividade Geral, a gravidade não é mais uma força de atração, como postulou Isaac Newton, mas sim uma distorção no espaço-tempo causada pela massa dos objetos. E isso é fundamental para entendermos os buracos negros.

Uma das equações da Relatividade Geral que explica todo esse conceito é a equação de campo de Einstein. Só que ela é tão complexa que nem o próprio físico supunha que um dia seria resolvida. Felizmente, ele estava errado, e não demorou muito até que Karl Schwarzschild encontrasse uma solução.

Buraco negro de Schwarzschild

Bem, acontece que a solução de Schwarzschild implicava em mais uma bizarrice: se você colocar massa o suficiente dentro de um único ponto no espaço, a velocidade de escape gravitacional na superfície desse corpo seria igual à velocidade da luz. Em outras palavras, nenhum dos nossos melhores foguetes conseguiria voar para o espaço, caso estivesse nesse lugar.

Esse detalhe foi importante para resolver a equação. Schwarzschild usou um cenário em que toda a massa de um corpo hipotético — digamos, uma estrela — era confinada em um certo volume que ficou conhecido como o raio de Schwarzschild. Pode ser um nome intimidador, mas é basicamente uma proporção entre a massa do corpo e o tamanho mínimo que esse objeto pode ter.

Existe uma fórmula complicada para calcular o raio de Schwarzschild de qualquer coisa (desde que você saiba a massa), mas felizmente alguém já calculou o de alguns objetos. O raio de Schwarzschild do Sol, por exemplo, é de aproximadamente 3 km, e o da Terra é cerca de 9 mm. Esses são os limites de tamanho mínimo para estes dois corpos.

Mas o que acontece se a massa do Sol ou da Terra for compactada em um espaço ainda menor que o raio de Schwarzschild? Bem, a gravidade desse objeto seria tão grande que para escapar dela seria necessário ultrapassar a velocidade da luz. E sabemos que isso é impossível. Esse suposto objeto ultracompacto tem um nome, que talvez você já tenha ouvido por aí — singularidade.

Gravidade não é uma força

Esse é um dos conceitos mais estranhos de se lidar, porque parece contraintuitivo pensar no espaço como “algo”, em vez de pensar nele como um “nada”. Mas além de ser “algo”, ele é uma espécie de malha que pode ser distorcida. Quando vemos uma lente gravitacional (fenômeno no qual a luz é distorcida pela gravidade de uma galáxia distante, por exemplo), não estamos vendo a luz ser distorcida, mas sim seguindo o fluxo do espaço-tempo.

Ou seja, é o espaço que foi distorcido pela galáxia, a luz só tenta encontrar o caminho mais fácil e percorre essa distorção. O mesmo acontece com toda a matéria do universo — ela não atrai outras matérias, mas cria distorções no espaço e os corpos ao redor seguem o fluxo dessa distorção, o que resulta nas órbitas.

Quanto mais massivo for o objeto, maior será a distorção causada por ele no espaço, e quanto maior for essa distorção, mais objetos cada vez mais distantes ficarão presos na órbita dessa coisa massiva. Isso explica porque as estrelas de galáxias espirais, como a nossa Via Láctea, orbitam o centro galáctico massivo, por exemplo.

Sendo levados mais à sério

Mas tudo isso ainda era apenas a matemática levando os cientistas a concluírem essas coisas estranhas. Nem mesmo Einstein achava que os buracos negros realmente existiam no universo real, embora a própria Relatividade Geral permitisse que eles pudessem existir. Foi só mais tarde, em 1965, que um cientista chamado Roger Penrose provou que singularidades — e, portanto, buracos negros — poderiam ser formadas.

Ao lado de Stephen Hawking, Penrose demonstrou que o colapso gravitacional de imensas estrelas no fim de suas vidas, as estrelas azuis, muito mais massivas que o Sol, pode resultar em buracos negros. Isso levou os buracos negros a serem levados mais a sério e rendeu a Penrose um Prêmio Nobel da Física, em 2020. Hoje, os astrônomos sabem que o destino final de muitas estrelas é se tornarem buracos negros.

Quando os cientistas falam sobre os buracos negros do universo real, isto é, das observações que podem ou não confirmar as teorias, eles chamam isso de buraco negro astrofísico. Esse termo é importante porque separa bem o que ainda é uma hipótese e os objetos reais que, às vezes, contrariam as expectativas dos cientistas.

Por exemplo, o buraco negro de Schwarzschild é diferente de um buraco negro real, porque o modelo de Schwarzschild apresenta um objeto sem rotação e sem carga elétrica. Entretanto, os astrônomos observaram nos últimos tempos que pelo menos alguns buracos negros possuem, sim, uma rotação em seu próprio eixo e alguma carga.

Buracos negros não são "aspiradores de pó"

Agora, voltemos ao conceito da singularidade: uma grande massa compactada em um pequeno ponto menor que o raio de Schwarzschild. Os cientistas costumam dizer que a singularidade é um ponto de densidade infinita, mas isso é estranho porque… bem, não existe nada “infinito” na física. Mesmo assim, o resultado disso é um horizonte de eventos, que é uma área ao redor da singularidade do qual nada, nem mesmo a luz, consegue escapar. Eis aí nosso buraco negro.

O horizonte de eventos é onde o campo gravitacional do buraco negro "puxa" para si os objetos de modo irrevogável. Pense na gravidade da Terra: você não pode escapar dela com saltos ou um trampolim, mas basta um foguete com a velocidade de 11,2 km/s para alcançar o espaço. O horizonte de eventos funciona do mesmo modo, mas a velocidade de escape é acima da velocidade da luz (300.000 km/s).

Porém, estes objetos invisíveis não são um aspirador de pó cósmico que suga tudo o que estiver ao redor. Sua massa é quase a mesma massa da estrela que colapsou para gerá-lo.

Isso significa que se o Sol se transformasse em um buraco negro agora (o que nunca vai acontecer porque ele não tem massa o suficiente) ele provavelmente teria dificuldade para se alimentar. A Terra não seria sugada, nem Vênus ou Mercúrio, porque a massa seria a mesma massa atual da nossa estrela, então os efeitos gravitacionais também seriam os mesmos de hoje.

Esse buraco negro poderia crescer à medida que os cometas e detritos e poeira do Sistema Solar caíssem nele, assim como já acontece com os objetos que às vezes caem no Sol. Só após se alimentar dessas coisas por muito tempo ele talvez ganhasse massa o suficiente para atrair objetos maiores. Também é importante o fato de que ao redor deles há coisas como ondas gravitacionais, campo eletromagnético, e um bom punhado de fótons da luz das estrelas gigantes.

Como surge um buraco negro?

Buracos negros podem ser formados a partir de qualquer objeto do universo cujo volume fique abaixo de seu raio de Schwarzschild. Isso tecnicamente é simples, porque átomos são em sua maior parte um núcleo rodeado por muito espaço vazio e algumas partículas rápidas, então podemos aplicar muita pressão (a gravidade poderia fazer isso) até que todo e qualquer espaço deixe de existir.

Mas não é fácil “quebrar” um átomo dessa forma — ainda bem, ou não estaríamos aqui —, graças às forças eletromagnéticas e as propriedades quânticas. Elas são muito mais fortes do que a “força” da gravidade e mantêm tudo do jeito que está. Por outro lado, quando a pressão e gravidade são tão intensas que fazem o objeto colapsar em si mesmo, podemos obter um buraco negro. Esses objetos existem aos bilhões.

Quando uma estrela muito massiva (mais de 10 massas solares) chega ao fim de seu ciclo de fusão nuclear, ou seja, quando acaba o combustível em seu interior, a força eletromagnética não é suficiente para impedir o colapso da matéria em um ponto cada vez menor. Às vezes, surge uma estrela de nêutrons, que já é um objeto incrivelmente denso, e em outros casos, o colapso resulta em um buraco negro.

O Sol pode virar um buraco negro?

O Sol não é uma estrela massiva o suficiente para o colapso violento necessário na formação de um buraco negro. A evolução de estrelas pequenas como o Sol é bem mais simples e termina em uma anã branca. As anãs brancas isoladas (sem fazer parte de um sistema binário, isto é, sem uma estrela companheira) são incapazes de realizar processos nucleares que levam ao colapso.

Mesmo que uma anã branca tenha uma companheira, o máximo que pode acontecer é que roube material para realizar processos instáveis de fusão de hidrogênio em sua superfície. Isso resulta em explosões na anã branca, mas ainda não é o suficiente para um colapso em buraco negro. Apenas estrelas com mais de dez vezes a massa do Sol podem se tornar buracos negros.

Velocidade de escape

Já entendemos que a velocidade de escape de um buraco negro é superior à velocidade da luz. Mas por quê? Como podemos ter certeza disso apenas pela matemática? Na verdade, é muito simples. A Terra tem mais força gravitacional que a Lua, e o Sol tem mais força gravitacional que a Terra, e assim por diante, porque quanto mais massivo o corpo gerador dessa força, maior velocidade teríamos que atingir para escapar desse corpo.

Por exemplo, a velocidade de escape na superfície da Terra é de aproximadamente 40.270 km/h, ou seja, podemos arremessar coisas à vontade, se elas não atingirem essa velocidade, cairão de volta no chão. Foguetes só conseguem sair do planeta porque conseguem ir mais rápido que isso (desconsiderando os fatores atmosféricos). No caso dos buracos negros, é a mesma coisa, só que a velocidade de escape é tão alta que nem mesmo a luz consegue escapar.

A velocidade da luz no vácuo é de aproximadamente 300.000 km/s, mas isso não é o suficiente para escapar do buraco negro. Isso significa que se um fóton ultrapassar o horizonte de eventos e sobreviver, ele cairá toda vez que tentar sair, assim como aquele objeto que tentamos jogar para o alto só para vê-lo cair de novo no chão.

É por isso que chamamos esses objetos de buracos negros. Só podemos observar um objeto quando a luz (composta por fótons) em contato com esse objeto é refletida e chega aos nossos olhos. Se ela cair no buraco negro e nunca mais voltar, ela não pode chegar até nossos olhos para nos trazer as informações sobre ele.

O que tem dentro de um buraco negro?

Com essas mecânicas, fórmulas e leis da física resolvidos — felizmente entregues de mão beijada a nós pelos físicos do passado —, podemos fazer uma autópsia de um buraco negro, ou de seus arredores, que são as partes que podemos ver. O que tem exatamente ali? Como diz o ditado, vamos por partes.

Singularidade: já vimos que este é o centro do buraco negro, um ponto unidimensional onde a densidade e a gravidade se tornam infinitas. Como o infinito na física não existe e não pode ser exatamente calculado, nenhuma lei da física é válida na singularidade. Por isso, os físicos costumam dizer que buracos negros astrofísicos não possuem singularidade. Ela fica na área das suposições teóricas e apenas uma teoria da gravidade quântica pode resolver o problema.

Horizonte de Eventos: é a fronteira teórica em torno da singularidade, a partir da qual a velocidade de escape é maior que a velocidade da luz. Em um buraco negro astrofísico, o Horizonte de Eventos é o "buraco negro" em si, já que não se considera a singularidade.

Disco de acreção: ele não faz exatamente parte do buraco negro, mas às vezes está lá, e é uma das únicas coisas que podemos ver de fato. Lembra que podemos observar as implicações dos buracos negros no universo? O disco de acreção é uma delas. Trata-se de um anel formado por gases superaquecidos e plasma que fica orbitando o horizonte de eventos. Alguma parte será consumida, enquanto outras partes podem ter um destino muito mais emocionante, como veremos a seguir.

Jatos relativístivos: uma parte da matéria no disco de acreção será arremessada na forma de jatos em velocidade próxima à da luz. Ainda não se sabe exatamente como isso acontece, mas cada vez mais há evidências de que o motivo esteja relacionado aos campos magnéticos do buraco negro. Os jatos podem ser sutis ou ter brilho mais intenso que toda uma galáxia — esses são os famosos quasares.

Anel de fótons: fica bem mais próximo do horizonte de eventos e qualquer fóton que se mova nessa órbita vai ficar preso nela, mas sem o risco de cair no horizonte de eventos. O anel equivale a uma vez e meia o raio de Schwarzschild. Um buraco negro que gira em seu próprio eixo terá dois anéis de fótons, sendo que o anel que estiver mais próximo do horizonte de eventos se move na mesma direção que a rotação do buraco negro, enquanto o anel de fótons mais externo se move no sentido oposto. Quanto maior a velocidade angular da rotação de um buraco negro, maior será a distância entre as duas esferas.

O que buracos negros fazem?

Eles bagunçam o tempo

Os buracos negros trazem uma consequência para o tempo, porque você deve se lembrar, tempo e espaço são a mesma coisa. Se o espaço é distorcido, o tempo também sofrerá consequências. Se você fosse uma pessoa indestrutível e caísse em um buraco negro e um observador assistisse a cena em uma nave a uma distância segura, as coisas seriam muito estranhas porque o campo gravitacional intenso faria o tempo passar mais devagar nas proximidades do horizonte de eventos.

Com isso, o observador nunca veria você passando do horizonte de eventos porque quanto mais perto você chega, mais devagar veremos o tempo passar para você. Por outro lado, a luz refletida por você, ou pelo seu traje de astronauta, também seria afetada, e teríamos um desvio para o vermelho (o famoso redshift). Ou seja, o observador veria você ficando cada vez mais avermelhado, a luz ficaria mais cada vez mais fraca porque os fótons começam a não chegar até o observador, e em determinado momento você não estaria mais lá.

Eles espaguetificam coisas

Ainda há muitas dúvidas sobre o que acontece exatamente com a matéria quando ela se aproxima de um buraco negro, mas a ideia mais aceita é a da espaguetificação, que nada mais é que a extrapolação dos efeitos de marés. As forças de marés são um poder de aceleração gravitacional exercido por um objeto sobre outro, fazendo com que um dos lados seja atraído com muito mais intensidade do que o lado oposto.

Nosso próprio planeta está sujeito às forças das marés, e vemos isso quando o nível das águas é alterado por causa da gravidade da Lua. Mas se no lugar da Lua estivesse um buraco negro supermassivo, o lado da Terra virado para ele seria “sugado” primeiro, antes de qualquer coisa acontecer no lado oposto do planeta. Isso faria com que o planeta fosse dilacerado e sua massa seria esticada até se parecer um fio de espaguete.

Talvez não pudéssemos ver isso acontecendo de fato, pois, como dissemos, o efeito de dilatação do tempo pode fazer com que o objeto apenas desaparecesse antes de ser espaguetificado. Contudo, uma equipe de cientistas parece ter conseguido registrar o momento em que uma estrela se espaguetificou. Isso foi possível porque ela foi dilacerada pelas marés muito antes de chegar ao horizonte de eventos.

Se dois buracos negros se aproximarem demais um do outro, o que os cientistas já descobriram que acontece de fato, eles também serão afetados pelas forças de marés. É possível que eles sofram uma colisão cataclísmica, gerando ondas gravitacionais capazes de viajar por todo o universo, e finalmente se fundam em um único buraco negro como a soma das duas massas.

Eles evaporam

Pois é, buracos negros podem não durar para sempre porque eles evaporam. Isso ocorre por causa de algo chamado radiação Hawking — recebeu esse nome porque foi Stephen Howking o sujeito que descobriu esse fenômeno. Ele mostrou que partículas virtuais poderiam surgir perto de um buraco negro e fazer com que essa radiação seja emitida.

O universo é um grande mar de partículas que surgem e desaparecem constantemente, como descreve o Princípio da Incerteza de Heisenberg, que prevê flutuações quânticas de vácuo onde pares “gêmeos” de partículas se formam por instantes brevíssimos, apenas para se anularem por serem uma partícula e de uma antipartícula. Ao se desintegrarem, anulam a energia necessária para sua formação, mantendo a energia do universo em ordem.

Uma dessas duplas de partículas poderia surgir perto demais de um buraco negro, e uma delas poderia ser puxada para dentro do horizonte de eventos antes de ser desintegrada. Isso “liberta” a outra partícula “gêmea”, e agora elas não podem mais se anular. E o que acontece com aquela energia que deveria ser anulada em prol do equilíbrio de todas as coisas?

Nesse caso, a partícula absorvida, tendo energia negativa, subtrai uma minúscula energia do buraco negro. Energia e massa estão entrelaçadas, então o buraco negro perde massa. Se ele não se alimentar de matéria, eventualmente desaparecerá.

Claro, demoraria bilhões de anos para que um buraco negro desaparecesse por completo por evaporação, e isso só aconteceria se ele não tivesse nada para se alimentar. Os buracos negros supermassivos, que se alimentam de algumas massas solares por dia, teriam que esperar o fim de toda a matéria do universo e ainda assim continuariam lá, pairando na imensidão da mais absoluta escuridão.

Qual o buraco negro mais próximo da Terra?

Buracos negros de massa estelar podem estar por toda a parte na Via Láctea, fora do Sistema Solar. Mas encontrá-los não é uma tarefa trivial, pois eles não bastante silenciosos, isto é, não se alimentam de matéria e, portanto, não emitem radiação.

O candidato a buraco negro mais próximo conhecido fica em A0620-00, um sistema binário composto por estrela e um objeto que não pode ser visto. Este último é massivo demais para ser uma estrela de nêutrons, então os astrônomos cogitam que seja um buraco negro. O sistema está a cerca de 3.300 anos-luz de distância da Terra.

Em 2021, os astrônomos encontraram um sistema chamado HR 6819, até então conhecido por ser formado por apenas duas estrelas. As novas observações mostraram que uma delas estava orbitando um objeto invisível em um período de 40 dias, então este objeto se tornou o novo candidato a buraco negro mais próximo de nós: apenas a 1.000 anos-luz de distância.

Porém, em maio deste ano, um novo estudo sugere que o tal objeto invisível não é um buraco negro, mas sim um sistema estelar com uma estrela “vampira" passando por uma etapa rara de seu processo evolutivo.

Mistérios ainda não resolvidos

Apesar de já conhecermos bastante a respeito de buracos negros, muitas perguntas continuam sem respostas. Por exemplo, se não existe singularidade, o que há dentro dos buracos negros? Será que eles são, de fato, buracos, e podem levam para algum outro lugar no universo? Há cientistas que afirmem que talvez sim, inclusive.

Mas ainda há muito o que explorar sobre o assunto, afinal, a ciência sobre isso está acontecendo agora, em tempo real, e temos o privilégio de acompanhar tudo isso em primeira mão!