Uma publicação conjunta como Fermilab/SLAC

Imagine que, em algum lugar da galáxia, existe um cadáver de uma estrela tão denso que perfura o tecido do espaço e do tempo. Tão densa que devora qualquer matéria circundante que se aproxima demais, puxando-o em uma correnteza de gravidade que nada, nem mesmo a luz, pode escapar.

E, uma vez que a matéria atravessa o ponto de não retorno, o horizonte de eventos, ela irá em espirais impotentes em direção a um ponto quase infinitamente pequeno, um ponto onde o espaço-tempo é tão curvado que todas as nossas teorias quebram: a singularidade. Ninguém sai vivo.

Os buracos negros soam estranhos demais para serem reais. Mas eles são realmente muito comuns no espaço. Existem dezenas conhecidos e provavelmente milhões mais na Via Láctea e um bilhão de deles a espreita fora desta. Os cientistas também acreditam que poderia haver um buraco negro supermassivo no centro de quase todas as galáxias, inclusive a nossa. Os ingredientes e a dinâmica dessas deformações monstruosas de espaço-tempo foram confundiram os cientistas durante séculos.

Trabalhos de arte por Sandbox Studio, Chicago com Ana Kova

Uma história de buracos negros

Tudo começou na Inglaterra em 1665, quando uma maçã rompeu com o galho de uma árvore e caiu no chão. Assistindo a partir de seu jardim em Woolsthorpe Manor, Isaac Newton começou a pensar sobre a descida do maçã: uma linha de pensamento que, duas décadas depois, terminou com sua conclusão de que deve haver algum tipo de força universal que rege o movimento de maçãs e balas de canhão e mesmo organismos planetários, como a Lua. Ele o chamou isso de gravidade.

Newton percebeu que qualquer objeto com massa teria uma força gravitacional. Ele descobriu que, com o acréscimo de massa, a gravidade aumenta. Para escapar da gravidade de um objeto, você precisa para atingir a sua velocidade de escape. Para escapar da gravidade da Terra, você precisaria viajar a uma velocidade de cerca de 11 quilômetros por segundo.

Foi a descoberta das leis da gravidade e do movimento de Newton que, 100 anos depois, levou o reverendo John Michell, um polímata britânico à conclusão de que, se houvesse uma estrela muito mais maciça ou muito mais comprimida do que o Sol, sua velocidade de escape poderia superar até mesmo a velocidade da luz. Ele chamou esses objetos "estrelas escuras." Doze anos mais tarde, o cientista e matemático francês Pierre Simon de Laplace chegou à mesma conclusão e ofereceu a prova matemática da existência do que nós conhecemos agora como buracos negros.

Em 1915, Albert Einstein expôs a teoria revolucionária da relatividade geral, que considerava o espaço e o tempo como um objeto quadridimensional curvo. Ao invés de ver a gravidade como uma força, Einstein viu-o como uma deformação do espaço e o próprio tempo. Um objeto de grande massa, como o Sol, criaria um poço no espaço-tempo, um poço gravitacional, fazendo com que todos os objetos circundantes, tais como os planetas do nosso sistema solar, a seguirem um caminho curvo em torno dele.

Um mês depois de Einstein publicou esta teoria, o físico alemão Karl Schwarzschild descobriu algo fascinante em equações de Einstein. Schwarzschild encontrou uma solução que levou os cientistas a concluírem que uma região do espaço poderia tornar-se tão deformada que criaria um poço gravitacional onde nenhum objeto pudesse escapar.

Até 1967, estas regiões misteriosas do espaço-tempo não tinham sido concedidas com um título universal. Cientistas lançaram termos como "colapsar" ou "estrela congelada" quando se discutiu as parcelas escuras de gravidade inevitável. Em uma conferência em Nova York, o físico John Wheeler popularizou o termo "buraco negro".

 

Trabalhos de arte por Sandbox Studio, Chicago com Ana Kova

Como encontrar um buraco negro

Durante a formação de estrela, a gravidade comprime até que ela é parada pela pressão interna da estrela. Se a pressão interna não impede a compressão, pode resultar na formação de um buraco negro.

Alguns buracos negros se formam quando estrelas massivas colapsam. Outros, acreditam os cientistas, foram formados muito cedo no universo, um bilhão de anos após o Big Bang.

Não há limite para o imenso buraco negro, às vezes eles têm mais de um bilhão de vezes a massa do sol. De acordo com a relatividade geral, também não há limite para o quão pequeno eles podem ser (embora a mecânica quântica sugira o contrário). Os buracos negros crescem em massa a media que eles continuam a devorar sua matéria circundante. Buracos negros menores acrescem matéria de uma estrela companheira enquanto os maiores se alimentam de qualquer matéria que fica muito perto.

Os buracos negros contêm um horizonte de eventos, para além do qual nem mesmo a luz pode escapar. Como nenhuma luz pode sair, é impossível ver além dessa superfície de um buraco negro. Mas só porque você não pode ver um buraco negro, não significa que você não pode detectar um.

Os cientistas podem detectar buracos negros, olhando para o movimento de estrelas e gás nas proximidades, bem como a matéria acrescidos de seus arredores. Esta matéria gira em torno do buraco negro, a criação de um disco achatado chamado disco de acreção. A matéria girando perde energia e emite radiação na forma de raios-X e outras radiações electromagnéticas antes de, eventualmente, passar o horizonte de eventos.

Foi assim que os astrônomos identificaram Cygnus X-1 em 1971. Cygnus X-1 foi encontrada como parte de um sistema binário em que uma estrela extremamente quente e brilhante chamada uma supergigante azul formando um disco de acreção ao redor de um objeto invisível. O sistema estelar binário estava emitindo raios-X, que não são normalmente produzidos por supergigantes azuis. Ao calcular o quão longe e rápido a estrela visível estava se movendo, os astrônomos foram capazes de calcular a massa do objeto invisível. Apesar de ter sido comprimida em um volume menor do que a Terra, a massa do objeto era seis vezes maior do que a do nosso Sol.

Vários experimentos diferentes estudam buracos negros. O telescópio horizonte de eventos vai olhar para os buracos negros no núcleo da nossa galáxia e uma galáxia próxima, M87. Sua resolução é alta o suficiente para captar a imagem do gás que flue em torno do horizonte de eventos.

Os cientistas também podem fazer mapeamento de reverberação, que utiliza telescópios de raios-X para olhar para as diferenças de tempo entre as emissões de vários locais perto do buraco negro para entender as órbitas de gás e fótons em torno do buraco negro.

O Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser, ou LIGO, procura identificar a fusão de dois buracos negros, que emitem radiação gravitacional, ou ondas gravitacionais, como os dois buracos negros se fundem.

Ondas gravitacionais finalmente foram detectadas, segundo novos rumores

Além de discos de acreção, os buracos negros também têm ventos e jatos incrivelmente brilhantes em erupção ao longo de seu eixo de rotação, atirando para fora matéria e radiação quase à velocidade da luz. Os cientistas ainda estão trabalhando para entender como esses jatos se formam.

Trabalhos de arte por Sandbox Studio, Chicago com Ana Kova

O que não sabemos

Os cientistas descobriram que os buracos negros não são tão negros como eles pensavam que fossem. Algumas informações podem escapar deles. Em 1974, Stephen Hawking publicou resultados que mostravam que os buracos negros devem irradiar energia, ou radiação de Hawking.

Como os buracos negros evaporam? Explicando a Radiação Hawking

Pares de matéria-antimatéria estão constantemente a serem produzidos em todo o universo, até mesmo fora do horizonte de eventos de um buraco negro. A teoria quântica prevê que uma partícula pode ser arrastada antes de o par ter a chance de aniquila-se, e a outra pode escapar sob a forma de radiação de Hawking. Isto contradiz o conceito da relatividade geral de um buraco negro a partir do qual nada pode escapar.

Mas, a medida que um buraco negro irradia radiação Hawking, ele lentamente evapora até que finalmente desaparecer. Então o que acontece a toda a informação codificada no seu horizonte? Será que ela desaparece, o que violaria a mecânica quântica? Ou é preservada, como a mecânica quântica poderia prever? Uma teoria é que a radiação Hawking contém todas essas informações. Quando o buraco negro evaporar e desaparecer, ele já tem preservado as informações de tudo o que caiu dentro dele, irradiando-as para fora no universo.

Os buracos negros dão aos cientistas uma oportunidade para testar a relatividade geral em campos gravitacionais muito extremos. Eles vêem os buracos negros como uma oportunidade para responder a uma das maiores questões na teoria física de partículas: Por que não podemos conciliar a mecânica quântica com a relatividade geral?

Além do horizonte de eventos, a curva de buracos negros é um dos mistérios mais sombrios da física. Os cientistas não conseguem explicar o que acontece quando os objetos cruzam o horizonte de eventos e a espiral em direção à singularidade. A relatividade geral e a mecânica quântica colidem e as equações de Einstein explodem em infinitos pedaços. Os buracos negros podem até serem portais para outros universos chamados buracos de minhoca e fontes violentas de energia e matéria chamados buracos brancos, embora pareça muito improvável que a natureza permitiria que estas estruturas de existam. 

Buracos negros, buracos brancos e buracos de minhoca - qual a diferença?

Às vezes a realidade é mais estranha do que a ficção

Traduzido e adaptado de Symetry Magazine