Mitos e verdades sobre os Buracos Negros

Astronomia & Astrofísica — Por Leocádio Benez Neto em maio 29, 2010 as 14:16

De todos os objetos exóticos no universo, nenhum gera mais excitação, temor, medo, e engano do que os buracos negros. Peça para um amigo falar o que acha  sobre buracos negros e você ouvirá “buracos negros são como aspiradores de pó gigantescos no espaço”, ou “buracos negros sugam tudo que estiver ao seu redor”  A realidade,  no entanto,  é bastante diferente e muito menos ameaçadora do que muitos acreditam.

A Galáxia de Circinus é um objeto ativo próximo que abriga um buraco negro poderoso em seu núcleo.  Gases girando em torno do centro da galáxia,(visto em cores frias (azuladas) quando eles se aproximam do observador e cores quentes(avermelhadas) quando se afastam), fazem parte do disco de acreação que circunda um buraco negro.

Um objeto tão denso que a atração gravitacional aumentou a ponto de impedir a  própria luz de escapar,  foi proposto primeiro em 1783 pelo inglês John Michell e novamente em 1795 pelo francês Pierre Simon Laplace, como extrapolações lógicas das leis da gravitação universal de Newton e da teoria da luz  corpuscular. Os “corpos escuros”  de Michell/Laplace se tornou notas de rodapé na história da ciência quando Einstein mostrou que a lei de Newton da gravitação estava incorreta nos domínios onde a matéria se torna muito densa, e que a teoria da luz corpuscular  também estava errada.

A idéia de buracos negros surgiu em 1939 por J. Robert Oppenheimer e seus colaboradores, baseados nas equações da Teoria Geral de Relatividade de Einstein. Estas equações mostram que se a matéria ficar suficientemente concentrada, sua atração gravitacional pode subjugar todos os outros efeitos, enquanto cria regiões das quais matéria e luz não podem escapar. O termo buraco negro foi aplicado pela primeira vez  a estas regiões ‘armadilhas de luz’ pelo astrofísico de Princeton  John Wheeler em 1967.

O limite entre um buraco negro e o resto do universo é chamado o horizonte de eventos. Porém, esse limite é apenas uma concha hipotética, a uma distância do centro do buraco negro, determinada por sua massa. Qualquer coisa que cruze o horizonte de evento nunca poderá voltar ao universo externo. Se a matéria que formou o buraco negro não fosse giratória, a massa do buraco seria concentrada em seu centro. No entanto é mais aceito, que a matéria estaria girando inicialmente, e sua massa tomou a forma de um anel dentro de seu horizonte de evento.

Mas eles realmente existem?

Nós não podemos ver buracos negros diretamente porque luz não pode escapar deles, mas nós podemos ver os efeitos deles na matéria circunvizinha, como gases próximos e estrelas. Buracos negros têm efeitos sobre sua vizinhança que não podem, até o momento, serem atribuídos a nenhum outro objeto cósmico conhecido. Ajudado pelas imagens do telescópio orbital Hubble e outros telescópios poderosos, os astrônomos durante as últimas duas décadas têm localizado um número crescente de buracos negros. Alguns são núcleos colapsados de estrelas que começaram a vida com mais de oito massas solares e explodiram, enquanto o resto, muito mais volumoso, foi provavelmente criado logo após o Big Bang, a partir de vastas aglomerações de gases e matéria que circundavam galáxias em criação. Tal é a certeza das observações de buracos negros que em janeiro 1997  na Sociedade Astronômica americana que se encontra em Toronto, Canadá, vários astrônomos predisseram a existência desses, então chamados ‘buracos negros’, nos centros da maioria dos bilhões de galáxias existentes.

Os buracos negros recentemente descobertos nos centros das galáxias contêm entre alguns milhões e alguns bilhões de vezes a massa do sol, o que lhes tornam sem dúvida, os objetos  mais massivos do universo conhecido. Em contraste, os buracos negros de núcleos estelares variam em massa entre aproximadamente 3 e 50 massas solares. Astrofísico britânico Steven Hawking propôs um terceiro tipo, ainda não detectado, chamado de primordial ou “míni” buracos negros, que foram formados no começo dos tempos quando o Big Bang, que criou o universo, super-comprimiu quantias minúsculas de matéria. Minúsculo é relativo, claro… essas massas comprimidas em buracos negros primordiais podem ter variado de fração de grama à massa de um grande planeta.

O entendimento científico dos buracos negros explodiu nos anos sessenta, quando os astrofísicos começaram estudar intensivamente. Porém, escritores de ficção científica,  televisão, cinema e pessoas despreparadas têm divulgado noções errôneas sobre buracos negros. Muitas pessoas pensam que qualquer buraco negro crescerá tanto que em algum dia devorará a Terra. Filmes mostram os  buracos negros como redemoinhos de água gigantescos ou funis devoradores de matéria e isso tudo colabora para criar mais confusão. Outro conceito equivocado comum é acreditar que buracos negros são regiões de espaço vazio ou “buracos no espaço” e que eles durarão para sempre.

O problema de entender buracos negros começa com o nome. Buracos negros não são necessariamente pretos nem são realmente buracos. “Preto” normalmente indica a ausência total de cor e é aplicado a buracos negros para significar a ausência total de luz emitida ou outra radiação. Buracos negros grandes são quase pretos. Mas buracos negros menores podem radiar energia. Em 1974, Steven Hawking propôs um mecanismo pelo qual buracos negros transformam a massa em radiação e em partículas que escapam das imediações do buraco. Ele afirmou assim que aqueles buracos negros pequenos evaporam, enquanto aumentam mais seu brilho no processo.

Os trabalhos de evaporação de buraco negro ocorrem da seguinte maneira. Em todo o universo a todo tempo são criados pares de partículas espontaneamente. Elas aniquilam uma a outra em tempos curtos (tipicamente em 10 a 23 segundos), a presença delas não viola qualquer lei da física. Dentro de nossos corpos, por exemplo, o espaço é uma espuma fervendo destas partículas “virtuais”. Nós sabemos que estas partículas existem porque eles foram observados em aceleradores de partícula de alta energia. Uma partícula real em movimento rápido que vier de encontro com o par de partículas virtuais pode separá-las tornando-as reais.

Partículas virtuais criadas próximas do horizonte de evento de um buraco negro também podem ficar reais. Se uma partícula em tal par é ligeiramente mais próxima do horizonte de evento que sua companheira, a força gravitacional enorme do buraco irá separá-las tornando-as reais. A mais próxima será atraída e a mais distante ficará real com velocidade suficiente para  escapar completamente do buraco negro.

Pode parecer que um buraco negro deveria crescer devido ao processo de Hawking, desde que ele sempre absorve pelo menos uma das partículas que cria. Você pode ver que isto não acontece, pois enquanto soma-se massa, ganha e perde. A energia gravitacional que tornou as  partículas reais vêm da massa de dentro do buraco negro. A quantia de massa convertida na energia gravitacional que rasga as partículas virtuais separando-as é determinada pela equação de massa-energia de Einstein E = (2m)c², onde 2m é a massa total das duas partículas recentemente formadas. Esta energia gravitacional passa pelo horizonte de evento, e cria as duas partículas, enquanto diminui a massa do buraco negro em 2m. O resultado líquido é que o buraco perde massa igual para a massa da partícula que escapa completamente dele. Por isso buracos negros muito pequenos parecem estar radiando matéria e radiação eletromagnética e tudo mais que é criado próximo do horizonte de evento. Assim nem todos os buracos negros são negros.

Como o horizonte de evento do buraco negro encolhe com a perda de massa, se põe mais próximo de seu centro. De forma interessante, as equações revelam aumentos da taxa de evaporação com o encolhimento do horizonte, embora a massa do buraco esteja diminuindo. Cada buraco negro deveria desaparecer em uma tremenda explosão final, irradiando quantidades enormes da radiação de  Hawking. Astrônomos ainda estão procurando por estas explosões. Assim, buracos negros não duram para sempre.

Buracos negros são buracos?

Os buracos negros realmente não são buracos. Também, aqui as palavras entram na discussão. Meu dicionário tem 20 definições de um buraco; duas são pertinentes. Primeiro, um buraco é “um lugar oco em uma massa sólida; uma cavidade.” Este é o que muitas pessoas associam com buracos negros: uma cavidade ou local nulo no espaço. Mas os buracos negros são cheio de matéria altamente condensado. Eles não são cavidades ocas.

A segunda definição pertinente é “uma abertura por algo; uma abertura.” Enquanto as equações de Einstein forem ambíguas sobre isto, haverá algum consenso em que buracos negros não conectam regiões diferentes do universo como o “buraco de minhoca”, como nós vemos descrito em filmes de ficção científica. Além dos problemas com a palavra “buraco”, buracos negros não estão completamente fora do universo. Eles comunicam-se com todo o resto de três modos. Primeiro, a massa no buraco negro cria muita atração gravitacional em objetos distantes como fazia antes de se tornar um buraco negro. Segundo, o impulso angular do buraco negro é o mesmo de antes da sua matéria se tornar um buraco negro e, realmente, sua rotação afeta o espaço externo seu horizonte de evento de modos estranhos. Terceiro, a carga  elétrica de toda a matéria no buraco negro (a diferença entre a carga positiva e carga negativa) é percebida fora de seu horizonte de evento da mesma maneira, antes ou depois de entrarem no buraco negro.

Assim buracos negros não são buracos. Quanto às convicções populares, sem dúvida, a mais comum é que buracos negros são aspiradores de pó cósmicos. No entanto não são por duas razões: buracos negros são na verdade menos efetivos atraindo objetos do que eram antes que se tornassem um buraco negro. Primeiro, buracos negros de núcleos estelares são tão pequenos que eles podem consumir apenas um volume minúsculo de matéria. O horizonte de evento de um  buraco negro de dez massas solares, está a apenas 16 Km do seu centro, enquanto uma  estrela de dez massas solares atrai matéria em um raio de  32 milhões de Km. Por conseguinte, buracos negros podem gravitacionalmente até atrair grandes volumes de gás (de uma estrela companheira, por exemplo), mas o buraco negro é tão pequeno que o gás fica rodopiando ao redor, às vezes durante anos, como água ao redor de um dreno, esperando ser puxado. Segundo, o único modo pelo qual os buracos negros podem absorver matéria é pela atração gravitacional. Uma estrela da mesma massa também pode usar outros efeitos físicos para absorver matéria. Considere um cometa que voa para uma estrela de dez massas solares em uma trajetória que o levaria próximo de 1500 Km do núcleo da estrela,  se ele sobreviver até aqui. O tremendo calor produzido pela estrela evaporaria os gases no cometa antes do impacto, enquanto a rocha e metal vaporizariam quando entrassem nas camadas exteriores da estrela, deixando grande quantidade de matéria.

Agora suponha um cometa que voa para um buraco negro de dez massas solares. A atração gravitacional do buraco no cometa seria igual ao da estrela de massa equivalente. No entanto a quantia de radiação de Hawking de um buraco negro estelar é mínima comparada à produção de uma estrela, o buraco negro não vaporizaria o cometa. Além disso, o buraco é tão pequeno que a aproximação mais íntima do cometa seria 1200 Km do horizonte de eventos. Nesta distância, a gravidade do buraco agiria como gravidade de um objeto normal, simplesmente  fazendo o cometa mudar direção. O cometa mudaria de rota e partiria em uma nova direção, sem ser engolido ou destruído como seria pela estrela. Até mesmo buracos negros galácticos de bilhões de massas solares agem pouco gravitacionalmente no resto do universo; os astrônomos vêem gás e marcam suas órbitas ao redor de tais corpos, sem que sejam sugados para dentro. Assim buracos negros não têm nenhuma habilidade mágica para sugar matéria externa e, com certeza  não vai crescer e eventualmente até engolir Terra.  Então por tudo isso, vemos que uma estrela é bem mais feroz em seus efeitos que um buraco negro.

Buracos negros mostram alguns efeitos estranhos em espaços próximos. É chamado de  raio de Schwarzschild, a distância do centro do buraco negro para seu horizonte de evento. Todos os efeitos estranhos de buracos negros acontecem dentro de aproximadamente dez raios de Schwarschild do centro do buraco. Além dessa distância bastante limitada, o único efeito do buraco negro em outros objetos é através da atração gravitacional normal.

As  piores distorções sobre o conceito de buraco negro são as criadas por fanáticos religiosos e místicos, comparando-os ao inferno, para intimidar as crianças e jovens  ameaçando-os de terem suas almas enviadas para um buraco negro. Na verdade isso acaba fazendo a criança associar ciência com mal. Foi dito para alguns estudantes que buracos negros são lugares onde as almas das crianças que estão por nascer residem.

Os astrofísicos acumularam um cabedal impressionante de conhecimento sobre a natureza dos buracos negros, mas, ainda assim não podem compreender tudo sobre eles. A maioria de nossos conhecimentos atuais sobre a natureza da matéria ainda são insuficientes para explicá-los. O estudo dos buracos negros poderá contribuir significativamente para o entendimento do universo, da matéria e da origem das galáxias e por isso existe um grande interesse por esse assunto.

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