O que é um buraco negro afinal?

 

Mas o que é exatamente um buraco negro? O que sabemos com precisão acerca destes objetos tão interessantes e misteriosos? Que informação é ou não correta?

Isso é o que vos vamos contar no artigo que se segue, mantenham-se por aí – a viagem vai valer a pena.

 

Os primórdios – estrelas escuras

A existência de buracos negros foi primeiramente considerada pelo astrónomo inglês John Michell em 1783, na altura a denominação que lhes atribuiu foi a de estrelas escuras. No entanto, durante um século e meio esta questão não voltou a ser abordada por nenhum cientista que pretendesse que o seu trabalho fosse apreciado como sério.

Michell especulava o que aconteceria a uma estrela de massa imensa quando morresse, imaginando que se tornaria numa estrela escura cuja gravidade seria de tal modo colossal que nada conseguiria dela escapar. Escapar como? Vamos atentar ao conceito de velocidade de escape, que se define pela velocidade requerida para sair de um corpo, de um planeta por exemplo, sem que a gravidade implique o seu retorno. A velocidade necessária para sair da superfície do planeta Terra sem que a gravidade nos puxe novamente para o solo é 11.2 km/s. Sim, se atirassem uma maçã para cima a essa velocidade, ela não iria regressar. A força gravítica dessas estrelas moribundas teorizadas por John Michell seria tanta que nem a luz conseguiria escapar, tornando-as por conseguinte em astros negros, impossíveis à observação direta.

Em seu redor haveria uma esfera mágica, com características estranhas, a qual representaria um ponto sem retorno: quem o ultrapassasse, seria irremediavelmente sorvido para um destino irreversível.

Mais de um século depois, a estória fantasiosa das estrelas negras e das suas insanas esferas mágicas foi redescoberta, trabalhada e calculada por outros cientistas. John Michell tinha razão, essas estrelas existiam na natureza: são os atuais buracos negros. E a esfera mágica? Essa será o horizonte de eventos, uma região esférica que rodeia a estrela moribunda, representando o ponto a partir do qual o regresso é impossível, para qualquer objeto, qualquer corpo, qualquer matéria ou partícula, devido à infinda gravidade desses corpos cósmicos.

 

Agora é que é: o que é um buraco negro?

Avancemos para uma definição. Um buraco negro é o resto de uma estrela maciça que no final da sua vida esgota a sua reserva nuclear e implode sob o efeito da sua própria gravidade, contraindo-se sobre si mesma. A medida a partir da qual a sucção para o interior do buraco negro se torna irrevogável é conhecida como raio (do horizonte de eventos) de Schwarzschild, por ter sido calculada por Karl Schwarzschild no século XX. Se uma estrela com mais de 25 massas solares ultrapassar esse raio ao morrer, ao se comprimir sobre si mesma para além desse ponto (virtual), torna-se por conseguinte num buraco negro.

Por exemplo, quando uma estrela com 40 vezes a massa do sol esgotar a sua reserva nuclear, vai ser esmagada pela sua própria gravidade até ao raio de Schwarzschild de 130 km, e torna-se num buraco negro. O sol tem um raio de Schwarzschild de aproximadamente 3 km e a Terra de 9 mm. (Ciclo de vida das estrelas ver aqui)

 

Observação de buracos negros

observar céu
Hmmm não é bem assim, mas podemos tentar na mesma.

 

Há buracos negros de vários tamanhos  – alguns com apenas poucos km de raio – e todos eles são invisíveis, logo os astrónomos recorrem a meios indiretos para comprovar a sua existência, como através da observação dos discos de acreção (gás rodopiante que rodeia um buraco negro, no qual se situa o horizonte de eventos); dos raios X que nos chegam até ao nosso planeta; ou através do efeito que geram nas estrelas vizinhas. Os astrónomos recolhem essa informação através do Hubble, do telescópio espacial de raios X Chandra (que reúne dados das emissões de raios X provindas desses objetos, sejam eles galácticos ou estelares), e de poderosos radiotelescópios no Novo México (Very Large Array Radio Telescope).

 

Cygnus X-1

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Para melhor ilustrar, Cygnus X-1 é um sistema estelar binário composto por um buraco negro (o primeiro a ser descoberto) e uma gigante azul. Como é típico dos sistemas binários, estas estrelas têm um eixo comum de gravidade, orbitando-se uma à outra. Para este sistema, o período orbital é de 5.6 dias. No entanto, há uma invulgaridade: o buraco negro está a sugar a matéria/energia da irmãzinha azulada, e esses astros continuarão assim até que não reste nada mais dessa gigante. Este conjunto binário é importante para que possamos evidenciar a presença de buracos negros pelos seguintes motivos: a transfusão visível de matéria da estrela azul para o buraco negro; e pelos raios X emitidos por este, os quais são dos mais fortes sentidos aqui na Terra.

 

Radiação Hawking

Stephen Hawking
Stephen Hawking

 

Existe no entanto outro tipo de radiação ainda por detetar. Segundo a teoria do cosmologista Stephen Hawking, no vácuo do espaço o próprio tecido espaço-tempo cria a partir do nada, por instantes, uma partícula e a sua correspondente antipartícula, que rapidamente se aniquilam uma à outra. Na verdade, estamos a falar de um instante de tal forma curto que faz com estas partículas sejam conhecidas como Partículas Virtuais, as quais se encontram contempladas e validadas pela Mecânica Quântica.

Como teorizou Hawking, quando estas partículas virtuais se formam exatamente na fronteira do horizonte dos eventos de um buraco negro, a antipartícula é atraída para o buraco negro enquanto a partícula escapa sob forma de radiação: a radiação Hawking.

Este fenómeno conduz à evaporação dos buracos negros, dado que a antimatéria absorvida anula a matéria “normal”, causando com o decorrer do tempo o desaparecimento do buraco negro. Isto deve-se ao facto de as partículas quânticas poderem penetrar no campo gravitacional que rodeia um buraco negro. Todavia e como dito anteriormente, este fenómeno não foi ainda confirmado.

 

Tipos de buracos negros

Confirmados estão dois géneros de buracos negros, os estelares e os galácticos. Nos estelares, a gravidade esmaga a estrela moribunda até à implosão. Os galácticos ocultam-se no centro de enormes galáxias e quasares e têm uma massa correspondente a milhões ou até milhares de milhões de massas solares.

Hoje sabemos que a maioria das galáxias (que têm protuberâncias no seu centro dos seus discos) contêm buracos negros no seu núcleo. Na nossa própria galáxia, a Via Láctea, encontra-se um buraco negro supermassivo. E é para lá que vamos já de seguida em mais uma expedição cósmica. Venham connosco.

 

A viagem a Sagitário A*

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Seguindo as leis da física que tornam real o imaginário, vamos imaginar uma viagem até a um destes objetos fantásticos, dos quais sabemos tão pouco…
Instalemo-nos confortavelmente na nossa nave. Senhoras e senhores, o nosso destino é o buraco negro no centro da nossa Via Láctea na constelação de Sagitário, e viajamos a 26000 anos-luz. Aí poderemos encontrar Sagitário A*, uma poderosa fonte de emissão de raios X que desperta a curiosidade de todos os comuns humanos, talvez por sabermos tão pouco acerca dele ou por ser um tema recorrente de ficção científica.
Sagitário A* é um buraco negro galáctico supermaciço, como os habitualmente encontrados no centro de galáxias espirais, como a nossa Via Láctea.
Para melhor visualizarem a nossa meta, este buraco negro tem cerca de 44 milhões de km e com aproximadamente 4 milhões de massas solares. Criando uma noção análoga, seria o correspondente a cerca de 4 milhões de sóis dentro da órbita de Mercúrio! Deveras poderoso. Sem dúvida alguma. Se nuvens de poeira não escurecessem o centro da nossa galáxia, Sagitário A* emitiria mais luz do que a lua nas nossas noites.

Ao estarmos já sobre a influência direta da sua gravidade, mas ainda a uma distância segura, podemos deslumbrarmo-nos com a dança frenética das estrelas mais próximas que foram capturadas por este monstro gravítico, as quais têm o seu destino irreparavelmente traçado: mais cedo ou mais tarde algumas irão ser engolidas pelo buraco negro.

Vamo-nos aproximar apenas mais um pouco de sorte a mantermos a nossa integridade física e psíquica…

Daqui já conseguimos ver o disco de acreção, um disco de gás rodopiante, que faz girar insanamente a matéria na breve iminência certa de ser devorada pelo buraco negro, sendo esta a fonte do poderoso campo magnético existente nos buracos negros. Devido à elevada velocidade e fricção entre as partículas, e conseguinte aumento de temperatura, 10% dessa matéria é transformada em energia e radiada sob a forma de raios X, que podemos observar pelos nossos radiotelescópios lá na Terra. A restante matéria é absorvida pelo buraco negro, resultando no seu aumento de massa e do raio de ação do horizonte de eventos.

E os jatos de luminosidade suprema que estão a ser emanados dos pólos do buraco negro?, são de uma beleza assombrosa! Essa energia exalada dos pólos, com origem no disco de acreção, será fruto do campo magnético que conflui para os extremos magnéticos norte e sul do astro, sendo posteriormente expelida a uma velocidade muito próxima à da luz. Essa energia traduz-se normalmente em raios gama, mas dependendo da energia do buraco negro pode decair em formas menos energéticas de radiação. No entanto, esta é ainda e apenas uma teoria – não se sabe seguramente o que está a provocar esses jatos. Mesmo que não saibamos a sua causa, é inegável que são uma visão transcendente…

 

jatos

 

Olhem pela janela, vejam o efeito incrível que os buracos negros produzem! Devido à sua gravidade imensurável, estes corpos criam uma distorção no tecido do espaço-tempo, produzindo nesse uma curvatura até ao infinito. Conseguem ver?

Aproveitem esta viagem para observar como funciona o tecido do espaço-tempo (descoberto teoricamente por Albert Einstein), sobre o qual estamos a viajar na nossa nave, bem como tudo o que existe no Universo. Estão a ver? É como uma toalha sobre a qual colocamos uma bola de bowling, uma bola de pilates, uma bola de ténis – estas bolas seriam os planetas e as estrelas. Quanto mais massa tiver a bola, maior será a curvatura que ela causará no tecido. Dado que Sagitário A* é infinitamente compacto, tal como os outros buracos negros, origina uma curvatura infinda. Os buracos negros de Kerr não só criam essa circunflexão como também rodam muito rapidamente, originando um efeito comparável ao de um funil no tecido.  (Tipos de buracos negros ver aqui)

 

rotação buraco negro

 

Por estas razões é impossível escapar a um buraco negro. Se nem a luz que é a mais célere do universo consegue escapar ao limite esboçado pelo horizonte de eventos, então mais nada conseguirá. As partículas de luz (fotões) apesar de não terem matéria, são eternamente apreendidas pelos buracos negros devido a essa distorção no espaço-tempo, no qual a luz viaja.

Assim sendo, não vamos avançar para além daqui, pois estamos efetivamente já na contiguidade do horizonte de eventos: apesar de ser demasiado pequeno para ser identificado com a tecnologia existente, representa a fronteira que mesmo sem barreiras físicas impede o nosso retrocesso.

Para nossa segurança, vamos enviar uma sonda em direção a este monstro. Despeçam-se, para ela será uma viagem só de ida.
Construída pela mais forte estrutura exequível e equipada com os melhores sensores, a nossa sonda parte para lá do horizonte de eventos, a partir do qual não receberemos mais dados, visto que as ondas eletromagnéticas por nós rececionadas são transmitidas à velocidade da luz. Os dados que a sonda emitir ficarão para sempre retidos no interior do horizonte de eventos.
A sonda está a aproximar-se… A passagem é feita de forma tranquila, não existe nenhum aviso ou mesmo um efeito especial que nos permita detetar que transpusemos este limite, só nos aperceberíamos ao querer voltar para trás e verificarmos que não seria possível.
A nossa sonda está a acelerar cada vez mais! No planeta Terra, como a gravidade é relativamente fraca, não notamos diferença entre a força da gravidade que o planeta exerce sobre os nossos pés e força que inflige sobre os braços, no entanto – e perante a excecional gravidade de Sagitário A* – esta diferença de gravidade entre os átomos da nossa sonda inferiores e superiores é tal que cria um efeito chamado esparguetização.

 

esparguetização.

 

Este efeito estica todo o tipo de corpos devido à diferença de gravidade no próprio corpo. Assim sendo, devido às forças das marés gravitacionais, os átomos da sonda começam a ser desfeitos, deformados, divididos, até os seus núcleos ficarem como esparguete. Neste ponto, a velocidade dos átomos que compunham a nossa sonda encontram-se a viajar à velocidade da luz. Pela nossa perspetiva, estes átomos ficaram congelados no tempo. Como qualquer corpo que viaje à velocidade da luz, quando observado noutro referencial, aparenta estar parado no tempo. Contudo o tempo não para num buraco negro, a luz da nossa sonda é que demoraria uma eternidade a chegar até ao observador, até nós, criando assim a ilusão de ausência de tempo.

Os átomos da nossa sonda ficaram para sempre registados nesta orla do buraco negro: uma besta que deglute tudo, mas que para sempre guarda na memória o que fez desaparecer. E o que realmente aconteceu aos átomos da nossa sonda? Bem, ao nosso ponto de vista, estarão parados temporalmente nessa orla, contudo na realidade foram absorvidos, comidos e digeridos pela singularidade.

Se pudéssemos prosseguir até ao seu interior, encontraríamos a luz neles retida desde há milhares de anos, ou mais, consoante a idade do buraco negro.

Dado que a derradeira imagem que temos da nossa sonda missionária é sua paragem ante ao buraco negro, fomos impedidos de desenvolver o nosso conhecimento acerca do seu interior. Mas o horizonte de eventos não consegue parar nem comedir a nossa imaginação.

Os cientistas conseguem comprovar matematicamente a presença de wormwholes (Ponte de Einstein-Rosen) no âmago dos buracos negros, os quais hospedariam a possibilidade de nos transportar para outro universo. Porém não está ainda claro se essa frágil passagem se desfaria ao tentarmos atravessá-la. Ponto de parte por uns instantes o facto de a passagem pelo próprio buraco negro, devido à sua violência, nos conduzir à morte.

 

estrutura buraco negro

 

Agora, temos de voltar para casa. Mas talvez um dia com naves de antigravidade possamos visitar seguramente o interior de um buraco negro, saber o que realmente acontece lá dentro, e para onde vai o material absorvido. No entanto, até lá apenas podemos idealizar se são portas para universos paralelos, para o nascimento de novos universos, máquinas do tempo, a entrada para um buraco branco ou simplesmente recicladores cósmicos.

Autores: Paula C Costa; Luís Filipe Santos

24 comentários Adicione o seu

  1. Mário diz:

    Excepcional, porque torna simples um tema tão complexo e está muito bem escrito. Parabéns e por favor continuem.
    Quanto aos 25 sóis, seguramente não é um número cabalístico. Porquê 25? Obrigado.

    1. Luis diz:

      Olá Mário, obrigado pelo comentário.
      É 25 porque é o valor crítico em termos de massas solares em função do raio de uma estrela.

      Se o nosso sol tivesse o dobro da massa, esse valor crítico passaria a 12.5.
      Não se trata de cabala, ou qualquer outra relação mística, é simplesmente o acaso da natureza.

  2. Paula C Costa Paula C Costa diz:

    Obrigada!

    1. Idálio Bandeira diz:

      Fantástico! Parabéns!

    2. Paula C Costa Paula C Costa diz:

      Muito obrigada, Idálio!

  3. Gonçalo diz:

    Artigo muito bom, não há palavras para o descrever! Continue o bom trabalho!

    1. Paula C Costa Paula C Costa diz:

      Obrigadinha, Gonçalo 😉

  4. antero diz:

    Concordo plenamente com os comentário que já foram feitos.
    O artigo está muito bem escrito, muito bem estruturado, claro e cativante, diria até que não podia ser melhor.
    Parabéns!

    1. Paula C Costa Paula C Costa diz:

      Obrigada!

  5. Marco diz:

    Muitos parabéns! De fato não há muito mais a dizer com um texto tão esclarecedor e bem organizado. Está mesmo muito bem conseguido! Para além disso é um tema super interessante que condensando estas minhas críticas e tendo em conta que não sou especialista na matéria até dá prazer lê-lo. Considero assim esta página uma boa fonte aos interessados! 🙂

    1. Paula C Costa Paula C Costa diz:

      Muito obrigada, Marco, pelo teu comentário e simpatia!

  6. Joana diz:

    Podem os buracos negros absorver estrelas inteiras?
    Como no texto diz que se evaporam, o que acontece quando se evaporam quando está a absorver uma estrela?

    1. Paula C Costa Paula C Costa diz:

      Sim, Joana, os buracos negros mais poderosos podem engolir estrelas inteiras. Em 2004, a NASA e a ESA anunciaram ter detetado um imenso buraco negro numa galáxia distante a sugar de uma vez só uma estrela. O telescópio Chandra de raios X e o satélite europeu XMM-Newton comprovaram o fenómeno, pois observaram a emissão de raios X emitida pela galáxia RX J1242-II. A massa desse buraco foi estimada em 1oo milhões de vezes a massa do sol.
      Quando uma estrela se aproxima demasiado do horizonte de eventos, a gravidade distorce e estende a estrela até a desfazer. Esparguetifica-a como fez à nossa sonda.

      A evaporação diz respeito à teoria proposta pela radiação Hawking. Como explica o Luís: colocando a hipótese de esta radiação existir, creio que teríamos 3 cenários possíveis.
      O primeiro seria se o buraco negro absorvesse mais matéria que partículas de antimatéria, neste caso o astro cresce.
      O segundo: quando a quantidade de matéria absorvida por um buraco negro fosse igual à das antipartículas, neste caso o tamanho do corpo negro permanece constante. No entanto uma pequena variação em algum dos parâmetros é o suficiente para fazer tender para um dos casos extremos.
      O terceiro caso aponta para a possibilidade de o buraco negro absorver mais antipartículas que matéria, nesta hipótese o BN vai evaporar, porém antes de isso acontecer a gravidade é o suficiente para a desfazer toda, ou parte da estrela. No momento em que o BN desaparece, deixa a estrela significativamente estreita, ou a vai desfazer deixando uma nuvem de gás que outrora pertenceu à estrela.

      Contudo tudo isto é teórico, o fator principal aqui é o rácio entre matéria (m) VS antimatéria (m’) que o BN absorve.
      Explicado de forma matemática:

      Caso 1: m/m’>1
      Caso 2: m/m’=1
      Caso 3: m/m’<1

      Obrigada pelo comentário, Joana.

  7. Íris diz:

    O que realmente me intriga nisto tudo é mesmo o fato de como a natureza é inteligente ao ponto de pensar em todos os detalhes.
    Bravo por abordarem este assunto complexo e o tornarem tão simples.

    1. Paula C Costa Paula C Costa diz:

      Obrigada, Íris!
      Quanto ao facto que te intriga, vai ser possivelmente tema para outro artigo, fica atenta. 😉

  8. Sonia diz:

    Ahhhh…agora fez-se luz sobre estes corpos fantásticos, obrigado por colocarem de forma tão simples.
    Então aquilo do interstelar é impossível?
    Como é possível criar um buraco negro?
    Eu se encolher bastante ou comer muito 🙂 também posso ser um buraco negro?
    O que aconteceria a nós se o sol se transformasse num buraco negro?

    1. Paula C Costa Paula C Costa diz:

      Ainda bem que gostou!
      Um buraco negro (natural) surge quando uma estrela com mais de 25 massas solares morre, e ao morrer colapsa (encolhe, contrai-se) sobre si mesma, ultrapassando o raio de Schwarzschild.
      Não, a Sónia não se pode transformar num buraco negro, por mais que coma ou encolha. 🙂
      O nosso sol não se vai transformar num buraco negro, não tem massa para isso. Mas vamos fantasiar que sim por um momento: não aconteceria nada à Terra nem a nós. O buraco negro teria a mesma massa que tem o sol, a Terra e nós íamos orbitá-lo como orbitamos a nossa estrela.
      De que parte do Interstellar está a falar?, daquela em que foi criado um perto de Saturno?

    2. Luis diz:

      Olá Sónia, no Interstelar devem ter despedido o consultor antes da parte final. Tudo foi cientificamente correcto até o actor ser sugado para o Buraco Negro. É impossível sobreviver a um buraco negro sem se estar protegido da gravidade esmagadora.

  9. Alberto diz:

    Existe outro processo de evaporação de buracos negros ainda nao confirmado pela ciência. Ao mandar para um destes monstros os politicos do nosso planeta, o buraco negro evaporava-se só para não tragar a escória.

    Agora a sério, este texto fez luz na minha cabeça sobre este tema tão escuro. E eu a pensar que estes temas eram aborrecidos.
    Força, fico à espera do próximo.

    1. Paula C Costa Paula C Costa diz:

      Obrigada, Alberto.
      Se um dia se confirmar a possibilidade de os buracos negros serem recicladores cósmicos, a classe que referiu vai ser a primeira da fila a seguir para lá. Pelo bem da ciência, claro. 🙂

  10. Anónimo diz:

    Texto delicioso.
    Quero saber o que acontece quando existe a colisão entre duas galáxias que tem buracos negros no seu centro, tipo o que acontecerá no futuro quando a Via Láctea colidir com a galáxia de Andrómeda?

    1. Paula C Costa Paula C Costa diz:

      Obrigada!
      Vai dar-se a fusão gradual das 2 galáxias, que juntas vão tomar a nova forma de uma galáxia elíptica. Mas este é um processo que demora mais de muitos milhões de anos, o qual vai gerar imensa energia devido ao aquecimento e fusão do gás de ambas as galáxias, tornando-se num bom local para o nascimento de novas estrelas.
      Quanto aos buracos negros, é possível a colisão entre este tipo de corpos, todavia é raro pois são pequenos para a massa que têm. Mas se acontecer, ambos vão orbitar-se um ao outro num eixo comum de massa até à união, em consequência desse movimento convergente muita energia seria libertada sob forma de ondas gravitacionais, o que levaria à dispersão de energia do sistema, até à fusão final.
      Quando finalmente se incorporarem um no outro, pareceria que o maior estaria a engolir o mais pequeno, contudo na verdade estão os dois a juntar-se um ao outro. O horizonte de eventos aumentaria consoante a nova massa desses 2 objetos.
      Espero ter ajudado 🙂

    2. Anónimo diz:

      Isso significa que o nosso sol vai colidir com outra estrela?

    3. Paula C Costa Paula C Costa diz:

      Tal é pouco provável. Estamos a falar de dimensões imensas, há espaço para que se dê a fusão das galáxias numa só provavelmente sem colisões. Como exemplifica o Luís Filipe Santos, “seria como 2 pessoas a atirarem 2 baldes com bolas de ping pong a 3m distância, passam perto umas das outras, mas é raro colidirem”.

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