Buraco Negro é uma "coisa" que de negro tem tudo, mas de buraco não tem nada.
Buraco Negro é uma região do espaço onde o campo gravitacional é tão forte que nada sai dessa região, nem a luz; daí vermos negro naquela região. Matéria (massa) é que "produz" campo gravitacional a sua volta. Um campo gravitacional forte o suficiente para impedir que a luz escape pode ser produzido, teoricamente, por grandes quantidades de matéria ou matéria em altíssimas densidades.
Se atirarmos uma pedra para cima ela "sobe" e depois "desce",
certo?
Errado!
Se atirarmos um corpo qualquer para cima com uma velocidade "muito" grande, esse corpo "sobe" e se livra do campo gravitacional da Terra, não mais "retornando" ao nosso planeta.
A velocidade mínima para isso acontecer é chamada de velocidade de escape. A velocidade de escape na superfície da Terra é 40.320 Km/h. Na superfície da Lua, onde a gravidade é mais fraca, é 8.568 Km/h, e na superfície gasosa do gigantesco Júpiter é 214.200 Km/h.
A velocidade da luz é aproximadamente 1.080.000.000 Km/h. Um buraco negro é um corpo que produz um campo gravitacional forte o suficiente para ter velocidade de escape superior à velocidade da luz.
A massa do Sol (0,2 X 10³¹Kg) é 333 mil vezes a massa da Terra e seu diâmetro (1,4 milhões de quilômetros) é mais de 100 vezes o diâmetro da Terra. Ele se transformaria em um buraco negro caso se contraísse a um diâmetro menor que 6 Km.
Uma vez que nada sai de um buraco negro, nada de um buraco negro chega até nós. Resta-nos então observá-lo indiretamente, através de sua ação sobre sua vizinhança. "Vemos" um buraco negro observando "coisas" que o rodeiam sob a ação do seu campo gravitacional ou então que "caem" em sua direção, também sob a ação desse mesmo campo gravitacional.
A velocidade com que a matéria, a uma determinada distância de um corpo, o orbita, é proporcional à gravidade desse corpo. Mesmo sem vermos o corpo central podemos saber qual a sua massa se virmos e medirmos a velocidade de nuvens de gás e poeira que o orbitam, por exemplo.
Uma outra situação: se sob a ação da gravidade do corpo central, matéria "cai" em direção a ele, esse material enquanto vai "caindo" vai se comprimindo; por se comprimir vai se esquentando, e quanto mais quente fica, mais irradia... Também nesse caso, se medimos essa radiação, obtemos informações sobre o corpo central.
Em 1994, astrônomos que trabalhavam com o Telescópio Espacial Hubble, não apenas obtiveram fortes indícios da presença de um buraco negro no centro de uma galáxia espiral, como também mediram a sua massa. Através de um efeito bem conhecido da física (Efeito Doppler) foi possível medir a velocidade de gás e poeira girando em torno do centro da galáxia M87.
Pelo desvio das linhas espectrais da radiação emitida por esse material, chegou-se à conclusão que ele gira em torno do núcleo de M87 com uma velocidade muito grande. Para manter esse material com uma velocidade tão grande é preciso uma massa central também muito grande. Uma quantidade tão grande de massa no volume interno à órbita do material que o circula só pode ser um buraco negro. A massa deste buraco negro foi estimada em 3 bilhões de massas solares.
Posteriormente foram obtidos indícios de outros buracos negros no centro de outras galáxias. A tabela abaixo nos apresenta 17 galáxias que atualmente suspeitamos possuírem buracos negros supermassivos em seus centros. Também é apresentada a massa estimada desses buracos negros.
Nome da Galáxia |
Massa do Buraco Negro (Sol=1) |
| IE1740.9-2942 | 100 centenas |
| SgrA* | 2 milhões |
| Messier 32 | 3 milhões |
| Centaurus A | < 14 milhões |
| Messier 31 | 30 milhões |
| Messier 106 | 40 milhões |
| NGC 3379 | 50 milhões |
| NGC 3377 | 100 milhões |
| Messier 84 | 300 milhões |
| NGC 4486B | 500 milhões |
| NGC 4594 | 1 bilhão |
| NGC 4261 | 1 bilhão |
| NGC 3115 | 2 bilhões |
| Messier 87 | 3 bilhões |
| Cygnus-A | 5 bilhões |
| NGC 4151 | Não Conhecido |
| Messier 51 | Não Conhecido |
Hoje acreditamos ser possível que toda grande galáxia tenha um buraco negro, de massa equivalente a milhões ou bilhões de estrelas, em seu centro. Esses buracos negros podem ter se formado no universo primitivo, a partir de gigantescas nuvens de gás ou então depois das galáxias já formadas, a partir do "colápso" de imensos aglomerados estelares.
Antes da fantástica descoberta acima descrita a procura por buracos negros no universo se concentrava principalmente na possível detecção de objetos muito compactos com massa algumas poucas vezes maior que a massa do Sol e que estariam espalhados nas galáxias.
Desde 1939 acreditamos que, em seu processo evolutivo, uma estrela de massa maior que 3,2 vezes a massa do Sol, quando acaba o seu combustível, pode "desabar sob seu próprio peso". Essa estrela pode se contrair tanto que dê origem a um campo gravitacional forte o suficiente para impedir que a luz escape de suas proximidades. Um buraco negro!
Se um buraco negro desses estiver envolto por uma nuvem de gás e
poeira ou se tiver uma estrela por companheira, pode ser que tenhamos matéria
dessa nuvem ou dessa estrela "caindo" no buraco negro e então
irradiando (principalmente na frequência de raio X). Um número
considerável de estrelas da nossa galáxia forma sistemas duplos.
É possível então que tenhamos vários buracos negros
cabíveis de serem detectados através dessa radiação.
Cygnus X-1 é uma "fonte de raios X", companheira de uma estrela
de massa aproximadamente 30 vezes a do Sol (HDE 226868) e é um dos
mais fortes candidatos a buraco negro conhecido.
A tabela abaixo nos apresenta 8 estrelas que acreditamos possam ser companheiras de buracos negros. Também é apresentada a massa estimada desses buracos negros.
Nome da Estrela |
Massa do Buraco Negro (Sol=1) |
| A0620-00 | 3 - 4 |
| Cygnus X-1 (HDE 226868) | 4 - 8 |
| Sco X-1 | 3 - 10 |
| GS2000+25 | 3 - 10 |
| GX339-4 | 3 - 10 |
| V 404 Cygni | 8 - 12 |
| Nova Muscae 1991 | 3 - 10 |
| Nova Ophiuchi 1977 | 6 - 7 |
Em abril passado astrônomos da NASA e da Carnegie Mellon University
comunicaram haver obtido, separadamente, evidências da existência
de buracos negros de massas variando entre 100 e 10.000 massas solares, nos
centros de algumas galáxias.
Os astrônomos da NASA obtiveram tal evidência estudando raios
X emitidos por 39 galáxias próximas à nossa. NGC 4945,
uma galáxia espiral muito parecida com a Via Láctea (nossa galáxia),
é uma dessas. Os astrônomos da Carnegie Mellon University chegaram
à mesma evidência estudando raios X provenientes de M82.
Têm sido elaboradas teorias procurando entender a origem dessses buracos
negros "meio pesados".
Vale a pena lembrar que muitos astrônomos e físicos acreditam na existência de mini buracos negros que teriam sua origem nos primórdios do universo.
Alguns procuram explicar a explosão que ocorreu sobre o rio Tunguska na Sibéria em 1908 e destruiu mais de 2.150 quilômetros quadrados de densa floresta, à colisão de um desses mini buracos negros com a Terra.
Fonte: www.observatorio.ufmg.br
De forma muito simplista, um buraco negro é uma região no espaço que contém tanta massa concentrada que nenhum objeto consegue escapar de sua atração gravitacional. Como a melhor teoria gravitacional no momento ainda é a Teoria da Relatividade Geral de Einstein, somos obrigados a mergulhar em alguns dos resultados preditos por essa teoria para entender alguns detalhes de um buraco negro, mas vamos começar devagar, pensando sobre a gravidade em circunstâncias relativamente simples.
Suponha que você está na superfície de um planeta. Você atira uma pedra para cima. Supondo que você não atire muito forte, ela subirá por algum tempo, mas eventualmente a aceleração devida à gravidade do planeta vai faze-la descer de novo. Se você atirar a pedra com força suficiente, no entanto, você poderia faze-la escapar inteiramente da gravidade do planeta. A pedra continuaria a subir para sempre. A velocidade com que é necessário atirar a pedra para que ela escape da atração gravitacional do planeta é chamada de "velocidade de escape".
Como seria de esperar, a velocidade de escape depende da massa do planeta: se o planeta for extremamente massivo, sua gravidade é muito intensa, e a velocidade de escape muito elevada. Um planeta mais "leve" teria uma velocidade de escape inferior. A velocidade de escape também depende da distância a que você se encontra: quanto mais perto você estiver, maior a velocidade de escape. A velocidade de escape da Terra é de 11,2 km/s, enquanto que a velocidade de escape da Lua é de apenas 2,4 km/s. Imagine agora um objeto com tamanha massa, concentrada num raio pequeno de tal forma que sua velocidade de escape seja maior que a velocidade da luz. Neste caso, uma vez que nada pode se deslocar mais rapidamente que a luz, nada poderá escapar do campo gravitacional desse objeto. Mesmo um raio de luz seria puxado de volta gravidade e não teria como escapar. A idéia de uma concentração de massa tão densa que até mesmo a luz ficasse aprisionada vai bem ao passado, até Laplace, no século XVIII.
Quase imediatamente em seguida de Einstein ter desenvolvido a Relatividade Geral, Karl Schwarzschild descobriu uma solução matemática para as equações daquela teoria que descreviam um tal objeto. Foi somente muito mais tarde, com o trabalho de cientistas como Oppenheimer (o mesmo do Projeto Manhattan, da bomba atômica americana), Volkoff e Snyder, na década de 30, que se começou a pensar seriamente na possibilidade de que tais objetos pudessem realmente existir no Universo. Esses pesquisadores mostraram que, quando uma estrela suficientemente massiva consome todo o seu combustível, ela perde a capacidade de sustentar o encolhimento devido à sua própria atração gravitacional, e então desaba sobre si própria na forma de um buraco negro.
K. Schwarzschild (1873-1916)
Na relatividade geral a gravidade é uma manifestação da curvatura do espaço-tempo. Objetos massivos distorcem as dimensões do espaço e tempo de tal forma que as regras normais da geometria não se aplicam mais. Perto de um buraco negro esta distorção do espaço é extremamente intensa, provocando o aparecimento de certas propriedades muito estranhas. Em particular, um buraco negro tem algo que se chama "horizonte de eventos", que é uma superfície esférica que marca as fronteiras do buraco negro. Você pode passar através do horizonte de eventos no sentido de entrada, mas depois não pode sair mais. Na verdade, uma vez cruzado o horizonte de eventos, você está inexoravelmente fadado a se aproximar cada vez mais da "singularidade" localizada no centro do buraco negro. Você pode pensar no horizonte de eventos como um lugar em que a velocidade de escape é igual à velocidade da luz.
Fora do horizonte de eventos, a velocidade de escape é menor do que a da luz , de modo que se você acionar seus foguetes com força suficiente poderá obter a energia necessária para escapar do buraco negro. Mas se você se encontrar dentro do horizonte de eventos, não importa quão potentes sejam seus foguetes, pois você não poderá escapar.
O horizonte tem algumas propriedade geométricas realmente estranhas. Para um observador que esteja imóvel a alguma distância do buraco negro, o horizonte parece ser uma superfície esférica tranqüila e estática. Mas à medida que você se aproximar do horizonte, perceberá que ele está se movendo a uma velocidade espantosa. Na verdade, está se expandindo à velocidade da luz! Isto explica porque é tão fácil atravessar o horizonte na direção para dentro mas impossível retornar. Como o horizonte está se movendo à velocidade da luz, para poder escapar de volta através dele você teria que viajar a uma velocidade superior a da luz. Como você não pode viajar a uma velocidade maior que a da luz, você não pode escapar do buraco negro. Se toda esta história estiver soando muito estranha, não se preocupe. Ela é estranha. O horizonte é estático, num certo sentido, mas noutro sentido ela está se deslocando à velocidade da luz. É um pouco como aquela estória de Alice no País das Maravilhas: ela tinha que correr tão rápido quanto possível, apenas para permanecer no mesmo lugar.
Uma vez dentro do horizonte, o espaço-tempo é tão distorcido que as coordenadas que descrevem a distancia radial e tempo trocam suas posições, ou seja, a coordenada que descreve a sua distancia do centro, "r", passa a ser uma coordenada do tipo tempo, e a coordenada "t" passa a ser do tipo espacial. Uma conseqüência disto é que você não consegue mais evitar o seu deslocamento no sentido de valores cada vez menores de "r", da mesma forma como normalmente não consegue evitar o deslocamento da coordenada de tempo na direção do futuro (ou seja, no sentido de valores maiores de "t").
Eventualmente você vai atingir a singularidade, localizada em r=0.
Você pode tentar evitá-la acionando seus foguetes, mas é
inútil: não importa a direção em que você
tente fugir, não conseguirá evitar seu futuro. Tentar evitar
o centro de um buraco negro depois de ter atravessado seu horizonte é
como tentar evitar a próxima segunda-feira. Por falar nisso, o nome
"buraco-negro" foi inventado por John Archibald Wheeler, e parece
ter ficado mesmo por ser muito mais atraente dos que os anteriores. Antes
de Wheeler aparecer, esses objetos eram conhecidos como "estrelas congeladas".
Você sabe como se formam os buracos negros?
As estrelas nascem, evoluem e morrem. A fase final da evolução de uma estrela vai depender da massa inicial da estrela e se elas evoluem isoladas ou em um sistema binário fechado (em que as estrelas estão próximas entre si). Estas fases são:
1. Se a massa inicial da estrela for menor que 3M (onde M é a massa do sol) e depois da fase de gigante vermelha a estrela perde massa e forma uma anã branca, com m < 1,4M. Neste caso ocorre a degenerescência eletrônica (os átomos perdem os seus elétrons);
2. Se a massa inicial for maior que 3M, a estrela, após a fase de gigante vermelha, explode como supernova, podendo ou não Ter um "caroço" no centro. Se a massa deste "caroço" for menor que 2M ele se transforma numa estrela de nêutrons quando teremos degenerescência nuclear (elétrons e prótons se fundem em nêutrons);
3. Se massa do "caroço" após a explosão de supernova for maior que 2M, o "caroço" se colapsa a um buraco negro.
Se a estrela evoului num sistema binário fechado, há transferência de matéria entre as estrelas de forma que muitas vezes uma delas acumula uma grande massa que provoca sua explosão como supernova. O resultado mais provável é a formação de uma estrela de nêutrons a partir do "caroço" que sobra da explosão, mas existem sistemas duplos, como Cygnus X-1 em que a componente compacta parece ser um buraco negro.
Fonte: www.ime.usp.br
