Buracos negros (versão completa)

Buracos negros

Os buracos negros são um dos objetos astronômicos mais famosos da ciência. Apesar de terem sido estudados por décadas, pouco se sabe sobre a natureza dos devoradores estelares. Os buracos negros surgiram primeiro do campo teórico, sendo caracterizados pelo astrônomo Karl Schwarzschild, em 1916, como soluções gerais da teoria da relatividade geral; somente após várias décadas de estudo, os buracos negros foram, de forma geral, aceitos como objetos reais, por meio de observações indiretas, ou seja, pelo estudo dos efeitos que tais corpos provocam ao meio que estão inseridos.

Buracos negros estelares formam-se quando estrelas massivas (de pelo menos cinco massas solares) colapsam sobre sua própria gravidade, comprimindo uma gigantesca quantia de matéria em um ponto infinitesimalmente pequeno, chamado de singularidade. Neste ponto, a ciência como a conhecemos deixa de ser válida devido a tais condições extremas e, assim, a singularidade torna-se um dos maiores mistérios científicos.

Como é sabido sobre a teoria da relatividade geral de Einstein, a gravidade é dada pela presença de matéria e/ou energia, as quais causam a deformação do tecido do espaço-tempo; Quanto mais matéria tivermos em uma pequena região, maior será a deformação no tecido espaço-tempo, e assim maior a atração sentida por um corpo nas proximidades; como a singularidade é, aproximadamente, um ponto com uma densidade que tende ao infinito, o espaço se dobra de tal forma que nada (nem mesmo a luz) escapa. Devido ao fato de a luz ser “capturada”, não conseguimos observar diretamente o buraco negro. O horizonte de eventos (conhecido como pontos sem retorno) é uma região esférica a uma distância (dada pelo raio de Schwarzschild) da singularidade, a qual a partir deste nada mais consegue escapar de ser “devorado” pelo buraco negro (pense no horizonte de eventos como uma ostra, o qual esconde a pérola, que é a singularidade). Quanto mais matéria é adicionada ao buraco negro, mais sua massa e raio aumentam.

Outra consequência da relatividade geral é o efeito de dilatação temporal. Como mencionado, os buracos negros causam uma grande deformação no tecido do espaço tempo e então o tempo para alguém/algum objeto que estiver nas proximidades de um buraco negro passará muito mais lentamente (o tempo desacelera) do que para alguém/algum objeto que estiver longe da influência do devastador cósmico. {No filme Interestelar (o qual foi produzido com a ajuda do astrofísico e ganhador do prêmio Nobel Kip Thorne) explora muito bem essa ideia, e seu buraco negro já foi modelo para diversos estudos realizados}.

Buracos negros não são objetos raros. Em uma estimativa (não rigorosa), temos que na Via-Láctea existam por volta de 200 milhões de buracos negros estelares, sendo o mais famoso o proposto Sagittarius A*, buraco negro supermassivo de 4.31 × 10^6 massas solares, presente no centro da Via-Láctea. Na maioria das galáxias elípticas e espirais encontramos núcleos galácticos, compostos por buracos negros supermassivos.

De forma mais geral, buracos negros são quaisquer ponto no espaço cuja densidade tende ao infinito; assim, se a Terra fosse comprimida ao tamanho certo, ela se tornaria um “miniburaco negro” (de aproximadamente o tamanho de uma ervilha).

Apesar de não conseguirmos obter informações de objetos que se aventuram para além do horizonte de eventos, podemos obter três e somente três informações de qualquer buraco negro; são elas: massa, momento angular e carga elétrica. Tal afirmação é um importante postulado conhecido como teorema da calvície.

Em sistemas binários de estrelas suficientemente massivas, é comum que uma estrela venha a tornar-se um buraco negro, devorando lentamente sua vizinha ao longo do tempo. Tal feito gera um disco de acreção (envoltório de matéria orbitando um corpo central), o qual acelera em direção ao buraco negro, liberando energia orbital na forma de radiação eletromagnética (em geral, na frequência de raios x).

Como dito, nada sai de um buraco negro, devido a sua imensa gravidade. Porém, o inglês Stephen Hawking descobriu que buracos negros emitem uma forma de radiação, nomeada radiação Hawking. A radiação Hawking utiliza os conceitos de flutuações quânticas de vácuo, o qual diz que até mesmo o vácuo não é totalmente vazio; existem partículas (chamadas de partículas virtuais), as quais surgem aos pares (uma partícula e sua antipartícula) a partir do nada, por um curto período de tempo, e depois se aniquilam (portanto, não há violação da lei de conservação de energia a longo prazo). As flutuações acontecem o tempo todo em todo o cosmos e, quando acontecem perto do horizonte de eventos, uma das partículas é “engolida” e perdida para sempre enquanto a outra fica para fora; como ambas se separam, ficam livres da aniquilação, tornando-se partículas reais. Para que não haja violação da conservação de energia, a energia necessária para "pagar" o empréstimo da energia da flutuação quântica de vácuo vem às custas da massa do buraco negro (a qual diminui). Assim, a partícula de fora pode escapar das proximidades do buraco negro. Com o passar de bilhões de anos, esse processo contínuo que ocorre em escala quântica torna-se significante de modo que todo o buraco negro possa chegar a “desaparecer” por conta da radiação emitida ao longo deste tempo. O fato dos curiosos objetos “evaporarem” traz à tona um dos grandes paradoxos da ciência, discutido por muitos cientistas, o chamado paradoxo da informação.

Apesar de todo o mistério envolvendo esses curiosos objetos e a dificuldade aparente de estuda-los propriamente, a ciência vem nos mostrado como é poderosa ao conseguir obter tantos detalhes em meio a tais obstáculos. O finado Stephen Hawking dedicou a maior parte de sua vida à compreensão de buracos negros, levando a humanidade passos adiante, ampliando nosso conhecimento sobre o funcionamento do cosmos.

A imagem abaixo mostra o buraco negro Gargantua do filme Interestelar.

Material de referência: Uma breve história do tempo (livro de Stephen Hawking)