Um buraco negro é um objeto extremamente denso no espaço do qual nenhuma luz pode escapar. Embora os buracos negros sejam misteriosos e exóticos, eles também são uma consequência fundamental de como a gravidade funciona: quando uma grande quantidade de massa é comprimida em um espaço pequeno o suficiente, o objeto resultante rasga a própria estrutura do espaço e do tempo, tornando-se o que é chamado de singularidade. A gravidade de um buraco negro é tão poderosa que será capaz de puxar o material próximo e "comê-lo".

Este conceito artístico ilustra um buraco negro supermassivo com milhões a bilhões de vezes a massa do nosso sol. Os buracos negros supermassivos são objetos enormemente densos enterrados no coração das galáxias. Crédito da imagem: NASA / JPL-Caltech

Aqui estão 10 coisas que você pode querer saber sobre os buracos negros:

A Galáxia NGC 1068 é mostrada em luz visível e raios-X nesta imagem composta. Raios-X de alta energia (magenta) capturados pelo Nuclear Spectroscopic Telescope Array, ou NuSTAR, são sobrepostos em imagens de luz visível do Hubble Space Telescope da NASA e do Sloan Digital Sky Survey. A luz de raios-X vem de um buraco negro supermassivo ativo, também conhecido como quasar, no centro da galáxia. Este buraco negro supermassivo foi amplamente estudado devido à sua proximidade relativamente próxima de nossa galáxia. Crédito de imagem: NASA / JPL-Caltech / Roma Tre Univ.

1. Como podemos aprender sobre buracos negros se eles prendem luz e não podem ser vistos?

Nenhuma luz de qualquer tipo, incluindo raios X, pode escapar de dentro do horizonte de eventos de um buraco negro, a região além da qual não há retorno. Os telescópios da NASA que estudam os buracos negros estão olhando para os ambientes ao redor dos buracos negros, onde há material muito próximo ao horizonte de eventos. A matéria é aquecida a milhões de graus à medida que é puxada em direção ao buraco negro, por isso brilha em raios-X. A imensa gravidade dos buracos negros também distorce o próprio espaço, por isso é possível ver a influência de uma atração gravitacional invisível sobre estrelas e outros objetos.

Em 2015, os pesquisadores descobriram um buraco negro chamado CID-947 que cresceu muito mais rapidamente do que sua galáxia hospedeira. O buraco negro no centro da galáxia tem quase 7 bilhões de vezes a massa do nosso Sol, colocando-o entre os buracos negros mais massivos descobertos. A massa da galáxia, no entanto, é considerada normal. Como sua luz precisava viajar uma distância muito longa, os cientistas a observavam em um período em que o universo tinha menos de 2 bilhões de anos, apenas 14% de sua idade atual (quase 14 bilhões de anos se passaram desde o Big Bang). Crédito da imagem: M. Helfenbein, Yale University / OPAC

2. Quanto tempo leva para ser formar um buraco negro?

Um buraco negro de massa estelar, com uma massa de dezenas de vezes a massa do Sol, pode provavelmente se formar em segundos, após o colapso de uma estrela massiva. Esses buracos negros relativamente pequenos também podem ser feitos através da fusão de dois remanescentes estelares densos chamados estrelas de nêutrons. Uma estrela de nêutrons também pode se fundir com um buraco negro para fazer um buraco negro maior, ou dois buracos negros podem colidir. Fusões como essas também criam buracos negros rapidamente e produzem ondulações no espaço-tempo chamadas ondas gravitacionais.

Mais misteriosos são os buracos negros gigantes encontrados no centro das galáxias os buracos negros "supermassivos", que podem pesar milhões ou bilhões de vezes a massa do Sol. Ele pode levar menos de um bilhão de anos para para chegar a um tamanho muito grande, mas não se sabe quanto tempo leva para se formar, em geral.

Os cientistas obtiveram a primeira imagem de um buraco negro, vista aqui, usando observações do Event Horizon Telescope do centro da galáxia M87. A imagem mostra um anel brilhante formado à medida que a luz se curva devido à intensa gravidade ao redor de um buraco negro que é 6,5 bilhões de vezes mais massivo que o nosso sol. Crédito da imagem: Event Horizon Telescope Collaboration

3. Como os cientistas calculam a massa de um buraco negro supermassivo?

A pesquisa envolve observar os movimentos das estrelas nos centros das galáxias. Esses movimentos implicam em um corpo maciço e escuro, cuja massa pode ser calculada a partir da velocidade das estrelas. A matéria que cai em um buraco negro aumenta a massa do buraco negro. Sua gravidade não desaparece do universo.

Esta animação ilustra a atividade em torno de um buraco negro. Embora a matéria que passou pelo horizonte de eventos do buraco negro não possa ser vista, o material girando fora desse limite é acelerado a milhões de graus e irradia em raios-X. Crédito da imagem: CXC / A.Hobart

4. É possível que um buraco negro "coma" uma galáxia inteira?

Não. Não há como um buraco negro comer uma galáxia inteira. O alcance gravitacional dos buracos negros supermassivos contidos no meio das galáxias é grande, mas não grande o suficiente para comer toda a galáxia.

Esta ilustração mostra um fluxo brilhante de material de uma estrela interrompido enquanto era devorado por um buraco negro supermassivo. O buraco negro é cercado por um anel de poeira. Quando uma estrela passa perto o suficiente para ser engolida por um buraco negro, o material estelar é esticado e comprimido conforme é puxado, liberando uma enorme quantidade de energia. Crédito da imagem: NASA / JPL-Caltech

5. O que aconteceria se você caísse em um buraco negro?

Certamente não seria bom! Mas o que sabemos sobre o interior dos buracos negros vem da Teoria Geral da Relatividade de Albert Einstein.

Para buracos negros, observadores distantes verão apenas regiões fora do horizonte de eventos, mas observadores individuais caindo no buraco negro experimentariam outra "realidade". Se você entrar no horizonte de eventos, sua percepção de espaço e tempo mudará totalmente. Ao mesmo tempo, a imensa gravidade do buraco negro iria comprimi-lo horizontalmente e esticá-lo verticalmente como um macarrão, razão pela qual os cientistas chamam esse fenômeno (não é brincadeira) de "espaguetificação".

Felizmente, isso nunca aconteceu com ninguém, os buracos negros estão muito distantes para extrair qualquer matéria de nosso sistema solar. Mas os cientistas observaram buracos negros destruindo estrelas, um processo que libera uma quantidade enorme de energia.

O observatório de raios-X Chandra da NASA detectou velocidades recordes de vento vindo de um disco ao redor de um buraco negro. A impressão desse artista mostra como a forte gravidade do buraco negro, à esquerda, está puxando o gás de uma estrela companheira à direita. Esse gás forma um disco de gás quente ao redor do buraco negro, e o vento é expelido desse disco a 20 milhões de milhas por hora, ou cerca de 3% da velocidade da luz. Crédito da imagem: NASA / CXC / M.Weiss

6. E se o Sol se transformasse em um buraco negro?

O Sol nunca se transformará em um buraco negro porque não é massivo o suficiente para explodir. Em vez disso, o Sol se tornará um resquício estelar denso chamado anã branca.

Mas se, hipoteticamente, o Sol de repente se tornasse um buraco negro com a mesma massa que tem hoje, isso não afetaria as órbitas dos planetas, porque sua influência gravitacional no sistema solar seria a mesma. Portanto, a Terra continuaria a girar em torno do Sol sem ser puxada, embora a falta de luz solar fosse desastrosa para a vida na Terra.

A região central da nossa galáxia, a Via Láctea, contém uma coleção exótica de objetos, incluindo um buraco negro supermassivo, chamado Sagitário A *, pesando cerca de 4 milhões de vezes a massa do Sol, nuvens de gás em temperaturas de milhões de graus, estrelas de nêutrons e estrelas anãs brancas rasgando material de estrelas companheiras e lindas gavinhas de emissão de rádio. A região ao redor de Sagitário A * é mostrada nesta imagem composta com dados Chandra (verde e azul) combinados com dados de rádio (vermelho) do telescópio MeerKAT na África do Sul, que eventualmente se tornará parte do Square Kilometer Array (SKA). Crédito da imagem: X-Ray: NASA / CXC / UMass / D. Wang et al .; Rádio: SARAO / MeerKAT

7. Os buracos negros teriam alguma influência em nosso planeta?

Os buracos negros de massa estelar são deixados para trás quando uma estrela massiva explode. Essas explosões distribuem elementos como carbono, nitrogênio e oxigênio, necessários para a vida no espaço. Fusões entre duas estrelas de nêutrons, dois buracos negros ou uma estrela de nêutrons e um buraco negro espalham de forma semelhante elementos pesados que podem um dia se tornar parte de novos planetas. As ondas de choque de explosões estelares também podem desencadear a formação de novas estrelas e novos sistemas solares. Então, em certo sentido, devemos nossa existência na Terra a explosões e eventos de colisão que formaram buracos negros há muito tempo.

Em uma escala maior, a maioria das galáxias parece ter buracos negros supermassivos em seus centros. A conexão entre a formação desses buracos negros supermassivos e a formação de galáxias ainda não é compreendida. É possível que um buraco negro tenha desempenhado um papel na formação da nossa galáxia, a Via Láctea. Mas esse problema é como do ovo e da galinha - isto é, o que veio primeiro, a galáxia ou o buraco negro? - é um dos grandes quebra-cabeças do nosso universo.

O conceito deste artista mostra o buraco negro supermassivo mais distante já descoberto. É parte de um quasar de apenas 690 milhões de anos após o Big Bang. Crédito da imagem: Robin Dienel / Carnegie Institution for Science

8. Qual é o buraco negro mais distante já visto?

O buraco negro mais distante já detectado está localizado em uma galáxia a cerca de 13,1 bilhões de anos-luz da Terra. (A idade do universo é atualmente estimada em cerca de 13,8 bilhões de anos, então isso significa que este buraco negro existiu cerca de 690 milhões de anos após o Big Bang.)

Este buraco negro supermassivo é o que os astrônomos chamam de “quasar”, onde grandes quantidades de gás são despejadas no buraco negro tão rapidamente que a produção de energia é mil vezes maior do que a própria galáxia. Seu brilho extremo é como os astrônomos podem detectá-lo em distâncias tão grandes.

A região central desta imagem contém a maior concentração de buracos negros supermassivos já vistos e cerca de um bilhão em todo o céu. Feita com mais de 7 milhões de segundos de tempo de observação do Chandra, esta imagem de 2017 faz parte do Chandra Deep Field-South. Com sua visão sem precedentes do universo inicial em raios-X, ele oferece aos astrônomos uma visão do crescimento de buracos negros ao longo de bilhões de anos, começando logo após o Big Bang. Nesta imagem, os raios X de baixa, média e alta energia que o Chandra detecta são mostrados em vermelho, verde e azul, respectivamente. Crédito da imagem: NASA / CXC / Penn State / B.Luo et al.

9. Se nada pode escapar de um buraco negro, então o universo inteiro não será engolido?

O universo é um lugar grande. Em particular, o tamanho de uma região onde um buraco negro em particular tem influência gravitacional significativa é bastante limitado em comparação com o tamanho de uma galáxia. Isso se aplica até mesmo a buracos negros supermassivos como o encontrado no meio da Via Láctea. Este buraco negro provavelmente já "comeu" a maior parte ou todas as estrelas que se formaram nas proximidades, e as estrelas mais distantes estão, em sua maioria, seguras de serem puxadas para dentro. Uma vez que este buraco negro já pesa alguns milhões de vezes a massa do Sol, haverá apenas pequenos aumentos em sua massa se engolir mais algumas estrelas semelhantes ao Sol. Não há perigo para a Terra (localizada a 26.000 anos-luz de distância do buraco negro da Via Láctea) ser puxada para dentro.

As futuras colisões de galáxias farão com que os buracos negros aumentem de tamanho, por exemplo, pela fusão de dois buracos negros. Mas as colisões não acontecerão indefinidamente porque o universo é grande e porque está se expandindo, portanto, é muito improvável que ocorra qualquer tipo de efeito de fuga do buraco negro.

Nesta ilustração de um buraco negro e seu disco ao redor, o gás em espiral em direção ao buraco negro se acumula do lado de fora, criando um congestionamento. O engarrafamento está mais próximo para buracos negros menores, então os raios X são emitidos em uma escala de tempo mais curta. Crédito da imagem: NASA

10. Os buracos negros podem ficar menores?

Sim. O falecido físico Stephen Hawking propôs que, embora os buracos negros fiquem maiores com a ingestão de material, eles também encolhem lentamente porque estão perdendo pequenas quantidades de energia chamada "radiação Hawking".

A radiação Hawking ocorre porque o espaço vazio, ou o vácuo, não é realmente vazio. Na verdade, é um mar de partículas continuamente entrando e saindo da existência. Hawking mostrou que se um par dessas partículas for criada próximo a um buraco negro, há uma chance de que uma delas seja puxada para o buraco negro antes de ser destruída. Nesse caso, sua parceira escapará para o espaço. A energia para isso vem do buraco negro, então o buraco negro lentamente perde energia e massa por este processo.

Eventualmente, em teoria, os buracos negros irão evaporar através da radiação Hawking. Mas levaria muito mais tempo do que toda a idade do universo para que a maioria dos buracos negros que conhecemos evapore significativamente. Os buracos negros, mesmo aqueles em torno de algumas vezes a massa do Sol, permanecerão por aí por muito, muito tempo!

Fonte: NASA Science