Os buracos negros sempre parecem estar nos noticiários – especialmente quando os cientistas revelam a primeira foto de um, ou quando um pesquisador cria um artificial em seu laboratório.
Os buracos negros são provavelmente os objetos mais estranhos – e certamente os mais intrigantes – do universo. E, no entanto, eles são estranhamente familiares, figurando proeminentemente na cultura pop (tanto Matthew McConaughey quanto Homer Simpson tiveram encontros perigosos com eles). Mas qual é exatamente a natureza desse fenômeno bizarro? Aqui está o que sabemos e não sabemos.
O que é um buraco negro?
Um buraco negro é uma região do espaço em que a gravidade exerce uma atração tão grande que nada – nem mesmo a luz – consegue escapar. Essa é a definição simples. Mas se você conversar com um físico, eles também descreverão um buraco negro como uma região de espaço-tempo curvada severamente – tão acentuadamente encurvada, na verdade, que é “arrancada”, por assim dizer, do resto do universo.
Essa ideia de espaço-tempo curvo remonta ao trabalho de Einstein. Foi há pouco mais de 100 anos que Einstein apresentou sua teoria da gravidade, conhecida como teoria geral da relatividade. Segundo a teoria, a matéria curva ou distorce o próprio tecido do espaço. Um pequeno objeto como a Terra causa apenas uma pequena quantidade de distorção; uma estrela como o nosso Sol causa mais deformação. E o que dizer de um objeto muito pesado e denso? Segundo a teoria de Einstein, se você espremer massa suficiente em um espaço pequeno o suficiente, sofrerá um colapso, formando um buraco negro; a quantidade de deformação se tornará infinita.
O limite do buraco negro é conhecido como “horizonte de eventos” – o ponto sem retorno. A matéria que atravessa o horizonte de eventos nunca pode retornar ao exterior. Nesse sentido, o interior de um não faz parte do nosso universo: o que quer que esteja acontecendo lá, nunca poderemos saber, já que nenhum sinal do interior pode chegar ao exterior. Segundo a relatividade geral, o centro de um buraco negro contém uma “singularidade” – um ponto de densidade infinita e de espaço-tempo infinitamente curvo. [Os buracos negros e o fim do tempo]
Como um buraco negro é criado?
Buracos negros existem em tamanhos diferentes. Quando uma estrela suficientemente massiva esgota seu suprimento de combustível nuclear – isto é, quando não consegue mais produzir energia por meio de uma reação de fusão em seu núcleo – ela explode (esse fenômeno é chamado de supernova, no qual a estrela lança material de suas camadas externas); o núcleo restante então contrai, devido à gravidade.
Se a estrela for mais de 20 vezes mais massiva que o Sol, então nada pode parar esta contração, e a estrela colapsa até que seja menor do que o seu próprio horizonte de eventos, tornando-se um buraco negro. Estes são chamados de buracos negros de massa estelar, uma vez que suas massas estão no mesmo nível das massas de estrelas. Mas também há buracos negros gigantescos, com massas iguais a milhões de estrelas.
Acredita-se que esses buracos negros “supermassivos” estejam localizados nos centros da maioria das galáxias, incluindo a nossa própria Via Láctea. Os teóricos acreditam que eles evoluíram juntos com as galáxias que os abrigam. Há também especulações de que buracos negros microscópicos ou “primordiais” podem ter sido criados na época do Big Bang.
Eles podem ser vistos?
Como os buracos negros não emitem luz, não há como vê-los diretamente. No entanto, os astrônomos foram capazes de inferir sua existência com base em observações de estrelas comuns que orbitam um buraco negro como parte de um sistema estelar binário. Às vezes, ele “engole” o material da estrela companheira. Quando este material gira em torno do buraco negro, ele se aquece devido ao atrito; Como resultado, emite raios X, que podem ser detectados da Terra. (Os raios X são emitidos antes do material cruzar o horizonte de eventos do buraco negro). Foi assim que o primeiro buraco negro a ser detectado, conhecido como Cygnus X-1, foi encontrado.
Um buraco negro representa perigo?
Como os buracos negros esticam tanto o tempo quanto o espaço, um astronauta com o azar de cair no buraco vê algo bem diferente do que veria um observador de uma distância segura. Do ponto de vista do azarado astronauta, as coisas não correm bem. No caso de um buraco negro de massa estelar, ele sentirá algo chamado forças de maré – o puxão desigual nos pés em comparação com a cabeça (supondo que ela entre no buraco primeiro). O astronauta se estenderia como um espaguete. No caso de um supermassivo, as forças de maré no horizonte de eventos são menos severas; o astronauta poderia não sentir nada de anormal acontecendo enquanto ele o atravessa. No entanto, ele estaria condenado; À medida que se aproxima da singularidade, as forças de maré irão inevitavelmente destruí-la antes que seja esmagada no esquecimento.
Mas a visão do lado de fora é bem diferente. Por causa do alongamento do tempo – os físicos chamam isso de “dilatação do tempo” – um observador localizado longe do horizonte de eventos nunca realmente veria o astronauta morrer. Em vez disso, nós o veríamos chegar cada vez mais perto do horizonte de eventos, mas nunca o cruzando. Se pudéssemos vê-lo, veríamos o ritmo cada vez mais lento. Ele acabaria “congelado” na beira do buraco negro. Não há resposta certa ou errada para a questão de “Como está o astronauta?” Isso realmente depende do seu referencial.
Há ainda a questão do quanto o tempo passou em si. Enquanto apenas alguns minutos passaram para o astronauta no horizonte de eventos, vários e vários anos se passaram para alguém na Terra, por exemplo.
É possível escapar de um buraco negro?
A resposta curta é provavelmente não. Mas os físicos têm especulado sobre a existência de “buracos de minhoca” – uma espécie de túnel através do espaço-tempo que liga um buraco negro a outro. Quando Carl Sagan estava trabalhando em seu romance Contact, ele pediu ao físico Kip Thorne para sugerir um método pelo qual a heroína da história poderia viajar rapidamente da Terra para a estrela Vega (a cerca de 26 anos-luz de distância); Thorne considerou o assunto, eventualmente sugerindo que um buraco de minhoca poderia fazer o truque. Isso foi bom o suficiente para o livro de Sagan (mais tarde transformado em filme estrelado por Jodie Foster) – mas como Thorne mais tarde reconheceria, os buracos de minhoca são uma idéia altamente especulativa, e ele duvida que os buracos de minhoca realmente sejam encontrados em nosso universo. (Thorne voltaria a emprestar seus conhecimentos aos cineastas para o filme Interstellar de 2014, onde os buracos negros desempenham um papel central).
Quando eles morrem?
Antes do trabalho de Stephen Hawking nos anos 70, pelo que sabíamos, os buracos negros existiam para sempre. Mas Hawking, junto com o físico Jacob Beckenstein, mostrou que esses objetos realmente emitem um tipo de radiação (agora conhecida como radiação Hawking). Essa radiação leva energia, o que significa que, em escalas de tempo muito longas, os buracos negros simplesmente evaporam no nada (teóricos acreditam que esse processo deve levar bilhões e bilhões de anos – e nenhum buraco negro ainda teve tempo de sumir, uma vez que nosso universo tem “apenas” 14 bilhões de anos).
O anúncio de que Jeff Steinhauer, um físico do Technion, Instituto de Tecnologia de Israel, em Haifa, havia criado um análogo artificial diretamente sobre a questão da evaporação dos buracos negros. O experimento de Steinhauer não usou a gravidade; em vez disso, ele usou um tubo cheio de átomos ultra-frios em um estado peculiar conhecido como condensado de Bose-Einstein. Então ele acelerou os átomos para que eles estivessem se movendo mais rápido do que o som (mas na verdade ainda bastante lento, já que o som só pode se mover lentamente em tal condensado), criando um horizonte de eventos “acústico”, como os pesquisadores descrevem. Pense nisso como engolir som em vez de luz, como faz um buraco negro. O experimento produziu mais do que apenas um horizonte de eventos – produziu o equivalente a radiação Hawking, diz Steinhauer.
Se o experimento for confirmado, isso poderia ser visto como uma defesa da evaporação dos buracos negros. A comunidade física reagiu com cautela. Silke Weinfurter, da Universidade de Nottingham, no Reino Unido, disse à Nature: “Este experimento … é realmente incrível, [mas] não prova que a radiação Hawking exista em torno de buracos negros astrofísicos”.
Importa se os buracos negros evaporam? O problema tem a ver com “informação”. De acordo com a mecânica quântica, informações – os números que descrevem o quão massiva é uma partícula, a velocidade de rotação e assim por diante – não podem ser criadas nem destruídas. Mas quando algo cai em um buraco negro, qualquer informação contida parece desaparecer. Pior ainda, quando o buraco negro se evapora, a radiação de Hawking que é emitida está toda embaralhada; a informação original parece estar perdida para sempre. Embora várias soluções possíveis tenham sido apresentadas, esse paradoxo da perda de informações continua sendo um dos problemas mais urgentes da física teórica.
