Os buracos negros são regiões do espaço onde a atração gravitacional é tão forte que nada, nem mesmo a luz, pode escapar

Impressão artística do sistema Cygnus X-1, que compreende um buraco negro de massa estelar orbitando com uma estrela companheira localizada a 7.200 anos-luz da Terra. Crédito da imagem: International Center for Radio Astronomy Research

Em vez de espaço vazio, os buracos negros são repletos de matéria que é comprimida em um espaço diminuto. 

QUEM DESCOBRIU OS BURACOS NEGROS?

O físico Karl Schwarzschild descobriu acidentalmente os buracos negros em 1916, quando estava descobrindo uma solução específica para a teoria geral da relatividade de Einstein. Ele estava tentando encontrar a solução para a atração gravitacional de uma única bola de matéria simétrica e solitária, como o sol no centro de nosso sistema solar. Mas essa solução continha uma característica peculiar: a teoria se comportou estranhamente em um raio específico, conhecido hoje como raio de Schwarzschild.

Mais tarde, foi percebido porque esse raio era tão especial. Se você comprimisse a massa de um objeto em um espaço menor do que esse raio, sua atração gravitacional superaria todas as forças conhecidas e nada poderia escapar. Os primeiros físicos presumiram que essa situação nunca seria encontrada na natureza. Mas, no final da década de 1930, ficou claro que a natureza poderia de fato permitir a existência de buracos negros quando o físico indiano Subrahmanyan Chandrasekhar descobriu que, acima de uma certa densidade, nenhuma força pode sobrepujar a gravidade. No entanto, os buracos negros só podem se formar nas condições mais extremas.

COMO OS BURACOS NEGROS SE FORMAM?

As estrelas produzem luz e calor devido aos motores em seus núcleos, onde ocorre um processo chamado fusão nuclear. Lá, dois átomos leves se fundem para formar um átomo mais pesado, um processo que libera energia. Esses átomos mais pesados então se fundem para formar átomos ainda mais pesados, e assim por diante, para manter a estrela produzindo luz e calor. 

Na fusão, duas ou mais partículas colidem para formar um produto mais massivo. Nesta ilustração, o deutério e o trítio se combinam para formar o hélio com a emissão de um nêutron. É assim que as estrelas produzem sua energia.  Crédito da imagem: MARK GARLICK / SCIENCE PHOTO BIBRARY via Getty Images

Dessa forma, quando estrelas com massa oito vezes maior que o nosso Sol se aproximam do fim de suas vidas, elas fundem elementos cada vez mais pesados em seus núcleos, como silício e magnésio. Eventualmente, eles começam a formar ferro. O problema? A fusão do ferro requer mais energia do que aquela produzida pela reação e, portanto, nesse ponto, nada pode contrabalançar a atração gravitacional para dentro da própria massa da estrela. E então a estrela robusta colapsa sobre si mesma. Com todo esse peso gravitacional esmagador, o núcleo da estrela é espremido além do raio de Schwarzschild, ponto no qual um buraco negro é formado.

Como nenhuma força conhecida pode impedir o colapso, uma vez que o material forma um buraco negro, ele continua se comprimindo até se tornar uma singularidade, um ponto de densidade infinita. Em torno dessa singularidade está o horizonte de eventos, a fronteira esférica invisível que marca a entrada para o buraco negro. Uma vez que qualquer coisa cruza o horizonte de eventos, ela nunca poderá escapar. Para escapar, seria necessário viajar mais rápido do que a velocidade da luz e, como nada pode viajar mais rápido do que a velocidade da luz, aquela refeição de buraco negro está condenada.

Buracos negros supermassivos, que têm milhões de vezes a massa do Sol, se formam ao longo de centenas de milhões de anos, alimentando-se do material ao seu redor e se fundindo com outros buracos negros.

O QUE ACONTECE DENTRO DE UM BURACO NEGRO?

Os buracos negros são tudo menos espaço vazio; dentro, encontravam-se cargas e mais cargas de massa comprimidas até um ponto infinitamente pequeno. A atração gravitacional dessa singularidade inevitavelmente carregaria qualquer massa em sua direção. Não importa a direção que você enfrente ou o quanto você resista, você terá a garantia de alcançar a singularidade em um período finito de tempo, conforme explicado pelo JILA, um instituto conjunto da Universidade de Colorado Boulder e do National Institute of Standards & Technology.

Os físicos não sabem o que acontece na singularidade. É um ambiente tão extremo que todo o nosso conhecimento atual da física é quebrado.

COMO OS CIENTISTAS SABEM QUE OS BURACOS NEGROS SÃO REAIS?

Apesar da falta de compreensão das entranhas de um buraco negro, os físicos sabem que os buracos negros existem. A primeira evidência veio na forma de Cygnus X-1, uma fonte brilhante de raios-X a cerca de 6.000 anos-luz de distância, explicou a NASA. As observações desse sistema revelaram um companheiro pequeno, denso e escuro - um buraco negro - afunilando-se na atmosfera de um companheiro em órbita. Os astrônomos não podem ver o buraco negro propriamente dito, mas, conforme o gás cai em sua destruição, ele se aquece e emite energia na forma de raios-X.

O buraco negro Cygnus X-1 está extraindo material de uma enorme estrela companheira azul. Essa "coisa" forma um disco de acreção ao redor do buraco negro. Crédito da imagem: NASA / CXC

QUAL O TAMANHO DOS BURACOS NEGROS?

O buraco negro em Cygnus X-1 tem uma massa cerca de 20 vezes maior que a do Sol, o que é bastante típico para buracos negros em todo o universo. Em nossa própria galáxia, os cientistas identificaram algo entre 10 milhões e um bilhão de buracos negros, informou a NASA. O buraco negro mais próximo conhecido é Cygnus X-1, que se esconde a pouco mais de 6.000 anos-luz de distância (embora existam buracos negros não confirmados tão próximos como 1.000 anos-luz de distância).

Mas no centro da Via Láctea e no centro de quase todas as outras galáxias está um monstro, um buraco negro supermassivo. Buracos negros supermassivos são milhões de vezes mais massivos que o sol, e alguns podem até ser centenas de bilhões de vezes mais massivos que o sol. Esses gigantes alcançam tamanhos estupendos alimentando-se da matéria circundante e se fundindo com outros buracos negros ao longo de centenas de milhões de anos.

COMO SÃO OS BURACOS NEGROS?

Aqui, a primeira imagem direta de um buraco negro. Crédito da imagem: Event Horizon Telescope Collaboration

Os buracos negros são apenas isso, eles são "negros" porque não emitem luz. Mas os astrônomos ainda podem detectá-los por meio dos efeitos gravitacionais que exercem sobre outros objetos e de seus hábitos alimentares complicados. 

Para alguns buracos negros, principalmente os supermassivos, os astrônomos podem vê-los por causa dos quasares que eles produzem. Os quasares são fontes intensamente brilhantes de emissão de rádio. Quando a matéria cai em um buraco negro, ela é comprimida e se aquece em uma versão aprimorada do Cygnus X-1. O disco de material ao redor do buraco negro pode brilhar mais forte do que toda a sua galáxia hospedeira e é capaz de lançar jatos de partículas superaquecidas, quase à velocidade da luz, por dezenas de milhares de anos-luz, disse a NASA.

Outra maneira de "ver" os buracos negros é quando eles se fundem. Quando dois buracos negros colidem, eles enviam ondas no espaço-tempo conhecidas como ondas gravitacionais. Essas ondas são incrivelmente fracas, mas instrumentos sensíveis na Terra são capazes de detectá-las. Até o momento, os astrônomos identificaram 50 eventos de fusão de buracos negros.

A única "imagem" verdadeira de um buraco negro já criada saiu em 2019, quando os astrônomos usaram o telescópio Event Horizon - uma rede de pratos que abrangem toda a Terra - para capturar uma imagem deste disco de material iluminado girando em torno de um buraco denominado M87 *. Pesando 3 bilhões de vezes mais que o Sol e situado em uma galáxia a mais de 50 milhões de anos-luz de distância, o M87 * parecia um donut laranja distorcido naquela imagem. Como é impossível tirar uma foto do buraco negro em si (porque nenhuma luz pode escapar), o que os astrônomos viram foi sua "sombra", um buraco no material brilhante que o rodeia.

E SE VOCÊ CAIR EM UM BURACO NEGRO?

É uma coisa boa que os buracos negros mais próximos estejam a milhares de anos-luz de nós. À distância, os buracos negros agem como quaisquer outros objetos massivos do universo. Na verdade, se você substituísse o Sol por um buraco negro de massa solar, a órbita da Terra permaneceria completamente inalterada (todas as plantas morreriam, mas isso é um problema diferente). Mas perto de um buraco negro, as forças gravitacionais são tão fortes que você seria esticado da cabeça aos pés em um longo e fino filamento de partículas antes mesmo de atingir o horizonte de eventos, um destino terrível estranhamente chamado de "espaguetificação".

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RECURSOS ADICIONAIS:

• 10 perguntas que você pode querer saber sobre buracos negros
• Experimento Científico de buraco negro para crianças
• Guia da NASA para a segurança de buracos negros

Referência:

SUTTER, Paul. Black holes: The darkest objects in the universe. Live Science, Nova York, 08, abr. 2021. References. Disponível em: <https://www.livescience.com/black-holes.html>. Acesso em: 14, abr. 2021.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.