Tudo sobre buracos negros: o que são, por que existem, como se formam e mais!

Por Daniele Cavalcante | Editado por Patrícia Gnipper | 23 de Maio de 2021 às 13h00
NASA

Buracos negros são objetos bizarros e instigam a nossa imaginação há mais de cem anos. Se você nunca entendeu o que exatamente eles são, não se preocupe, os próprios cientistas ainda debatem muito sobre o assunto. Mas talvez o mais importante para a ciência de hoje não sejam os buracos negros em si, mas sim as implicações da existência deles para o universo. E isso é algo que podemos observar.

Mas para entender e interpretar bem essas observações, é preciso invocar duas das teorias mais fundamentais da física moderna. Então, talvez a melhor maneira de finalmente entender os buracos negros de uma vez por todas seja conhecer sua história, ou melhor, a história da ciência sendo feita desde as primeiras teorias até a confirmação da existência deles. Você perceberá que não há nada de tão assustador nesses objetos; na verdade, eles podem ser até mesmo… simpáticos.

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Relatividade Geral e suas consequências

(Imagem: Reprodução/Johnson Martin)

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 sua velocidade, 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 funcionar como se fosse uma coisa só.

Havia alguns problemas na 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: a gravidade não é mais uma força de atração, mas uma distorção no espaço-tempo. E isso é fundamental para entendermos os buracos negros.

(Imagem: Reprodução/Carin Cain)

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 ela seria resolvida, mas felizmente não demorou muito até que Karl Schwarzschild encontrasse uma solução. Essa solução 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.

Talvez você já tenha notado, mas vale a pena deixar o spoiler: com o cenário montado até aqui, já temos o suficiente para chegar à conclusão de que buracos negros existem e de como eles se comportam. Mas esse cenário fica ainda mais interessante. Para resolver a equação, toda a massa do corpo hipotético — digamos, uma estrela — era confinada em um certo volume que ficou conhecido como o raio de Schwarzschild.

O raio de Schwarzschild pode ter 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.

Mas o que acontece se a massa for compactada em um espaço ainda menor? Bem, a gravidade desse objeto seria tão grande que para escapar dela seria necessário ultrapassar a velocidade da luz. Esse suposto objeto ultracompacto tem um nome, que talvez você já tenha ouvido por aí — singularidade.

Gravidade não é uma força

A teoria da Relatividade Geral de Einstein previu que o espaço-tempo ao redor da Terra seria não apenas deformado, mas também torcido pela rotação do planeta. A Sonda Gravitacional B mostrou que isso está correto (Imagem: Reprodução/NASA)

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 criam 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.

Agora, volte àquele conceito da singularidade. Estamos falando de uma grande massa compactada em um pequeno ponto que possui 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 do objeto do qual nada, nem mesmo a luz, consegue escapar. Eis aí nosso buraco negro.

Mas 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 os cálculos sugerissem que eles poderiam existir. Foi só mais tarde, em 1965, que um cientistas chamado Roger Penrose provou que singularidades — e, portanto, buracos negros — poderiam ser formadas a partir do colapso gravitacional de imensas estrelas no fim de suas vidas. Hoje, os astrônomos sabem que este é o destino final de muitas estrelas massivas.

Buracos negros astrofísicos

Buraco negro que fica no centro da galáxia M87, a primeira e por enquanto única imagem real que temos de um desses objetos (Imagem: Reprodução/EHT)

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 é teoria (ou ainda hipótese) e os objetos reais que, às vezes, contrariam as expectativas dos cientistas.

Os pesquisadores descobriram que há não apenas um, ou alguns, mas muitos buracos negros no universo. Provavelmente, no centro de cada uma das galáxias existentes, há um buraco negro supermassivo, que têm alguns bilhões de massas solares. 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 buracos negros se formam?

Comparação entre o buraco negro M87* com nosso Sol, a órbita extremamente distante de Plutão e a distância em que a sonda Voyager 1 deve estar de nós agora (Imagem: National Science Foundation)

Buracos negros podem ser formados a partir de qualquer objeto do universo cujo volume ficasse abaixo do 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 quânticas. Elas são muito mais fortes do que a “força” da gravidade” e mantêm tudo do jeito que está. Mas quando a pressão e gravidade são tão intensas que faz o objeto colapsar em si mesmo, podemos obter um buraco negro. Por um, temos objetos que podem fazer isso acontecer, e eles existem aos bilhões: estrelas.

Quando uma estrela muito massiva (mais de 8 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.

Esses buracos negros gerados por estrelas são chamados de buracos negros estelares, porque existem outros modos pelos quais buracos negros podem nascer. Por exemplo, os supermassivos não podem ter vindo de uma estrela que colapsou simplesmente porque não existem estrelas com bilhões de massas solares, e também não houve tempo o suficiente no universo para que um buraco negro estelar crescesse a ponto de se tornar um supermassivo. Lembra que o raio de Schwarzschild do Sol é de 3 km? Pois bem, o do buraco negro supermassivo no centro da nossa galáxia é de aproximadamente 7,8 milhões de quilômetros. Este provavelmente é o tamanho físico desse titã adormecido.

Velocidade de escape

(Imagem: Reprodução/Warner Bros. Pictures)

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 os objetos quando a luz (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.

"Autópsia" do buraco negro

(Imagem: Reprodução/NASA’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman)

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 é fica na área das suposições teóricas.

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 há 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 em torno do horizonte de eventos. Alguma parte será consumida, enquanto outras 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 e permitem que você veja a parte de trás da sua cabeça. É que um fóton que sair de trás de sua cabeça poderia orbitar o buraco negro neste anel para só então poder ser visto por seus olhos. Você veria o objeto que o refletiu, que nesse caso foi sua nuca.

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.

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

Conceito artístico de um buraco negro e uma estrela capturada pela gravidade e em processo de espaguetificação (Imagem: Reprodução/DESY Science Communication Lab)

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 fundirem 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 Howking — 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.

O gráfico da esquerda é um modelo astrofísico de um buraco negro e como as partículas da Radiação Howking se comportariam; à direita está um diagrama do experimento envolvendo um análogo a buracos negros e o comportamento de ondas ante velocidades supersônica e subsônica (Imagem: Reprodução/Nature/Nova)

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? Bem, a partícula absorvida, tendo energia negativa, subtrai uma minúscula energia do buraco negro. Energia e massa estão entrelaçadas, então o buraco negro perde massa. A partícula restante será a tal Radiação Hawking.

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 em uma imensidão da mais absoluta escuridão.

Buracos negros ainda têm seus mistérios

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 a chance de acompanhar tudo isso em primeira mão!

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