Os segredos internos dos buracos negros são guardados por um limite unidirecional de captura de luz chamado horizonte de eventos

Um horizonte de eventos marca o limite na borda externa de um buraco negro. Esta visualização do buraco negro mostra um disco turbulento de gás girando em torno da besta cósmica. Crédito da imagem: Goddard Space Flight Center da NASA/Jeremy Schnittman

O horizonte de eventos é o limite externo esférico de um buraco negro vagamente considerado como sua "superfície". 

É o ponto, de acordo com a NASA, em que a influência gravitacional do buraco negro se torna tão grande que nem mesmo a luz é rápida o suficiente para escapar dela. Como resultado do fato de que a teoria da relatividade especial de Albert Einstein nos diz que nada pode exceder a velocidade da luz no vácuo (c), a humanidade nunca pode esperar obter um sinal do limite unidirecional que é um horizonte de eventos.

Como tais horizontes de eventos atuam efetivamente como guardiões cósmicos, impedindo-nos de observar diretamente os segredos que estão no coração dos buracos negros. No entanto, eles podem revelar muito sobre o ambiente ao seu redor.

“O horizonte de eventos é o muro definitivo da prisão, pode-se entrar, mas nunca sair”, disse Avi Loeb, que ocupa a cadeira de astronomia na Universidade de Harvard.

Quando um objeto se aproxima de um horizonte de eventos, uma testemunha veria a imagem do objeto ficar vermelha e escurecer à medida que a luz distorcida pela gravidade vem desse objeto. No horizonte de eventos, essa imagem desapareceria efetivamente na invisibilidade.

Dentro do horizonte de eventos, encontraríamos a singularidade do buraco negro, onde pesquisas anteriores sugerem que toda a massa do objeto entrou em colapso em uma extensão infinitamente densa. Isso significa que o tecido do espaço e do tempo em torno da singularidade também se curvou em um grau infinito, de modo que as leis da física como as conhecemos atualmente não se aplicam. 

“O horizonte de eventos nos protege da física desconhecida perto de uma singularidade”, disse Loeb.

CRÉDITO DA IMAGEM: UNIVERSIDADE DE SUSSEX

Xavier Calmet

Fizemos algumas perguntas a Xavier Calmet, professor de física no Reino Unido, sobre buracos negros e horizontes de eventos.  

O que é um horizonte de eventos do buraco negro?

Ele marca a fronteira entre o buraco negro e o resto do universo. 

O que há de especial nessa fronteira?

Nada dentro do horizonte pode escapar ou voltar através desta fronteira, nem mesmo a luz. Isso implica que nada que entra no horizonte do buraco negro pode ser observado fora desse horizonte.  

Poderíamos ver além de um horizonte de eventos?

É uma questão de ponto de vista. Do ponto de vista de um observador distante, nunca vemos nada cair no buraco negro, ou seja, entrar no horizonte de eventos. O objeto que se aproximasse do horizonte de eventos simplesmente desapareceria com o tempo e, por fim, desapareceria. No entanto, do ponto de vista de um observador caindo no buraco negro, ele não notaria nada ao cruzar o horizonte de um buraco negro astrofísico. Como a curvatura no horizonte de buracos negros astrofísicos ou grandes é pequena, não há fortes forças de maré e o observador em queda livre simplesmente entraria no buraco negro sem perceber que passou pelo horizonte. 

O que está além do horizonte de eventos?

Espaço vazio e nada notável até que se chegue muito perto da singularidade no centro do buraco negro. Nesse estágio, as forças de maré tornam-se extremamente fortes e o observador experimenta a espaguetificação, eles são esticados em uma longa massa e eventualmente são dilaceradas pelas fortes forças gravitacionais. 

Alguma coisa poderia escapar do horizonte de eventos de um buraco negro?

Esta é uma questão fascinante e está ligada ao infame paradoxo da informação de Hawking. Em 2022, junto com meu colega Stephen Hsu, demonstramos em uma série de artigos como a informação pode escapar de um buraco negro. Nós teorizamos que a informação é codificada no estado quântico do campo gravitacional fora do buraco negro e impressa na radiação de Hawking e, portanto, totalmente disponível para um observador externo. Nesse sentido, informações sobre o que caiu em um buraco negro sempre podem ser recuperadas.  

Uma ilustração da NASA de um buraco negro com o coração negro cercado pelo horizonte de eventos. Crédito da imagem: Goddard Space Flight Center da NASA/plano de fundo, ESA/Gaia/DPAC

Os conceitos de buraco negro e horizonte de eventos nasceram da teoria da gravidade de 1915 concebida por Albert Einstein conhecida como relatividade geral e soluções para as equações tensoriais que as definem. Um teor é uma equação matemática semelhante a um vetor, mas com quatro valores em vez de dois. Como resultado, os tensores também são às vezes chamados de "quatro vetores".

A relatividade geral também é conhecida como a "teoria geométrica da gravidade" porque diz que a presença de massa faz com que o próprio tecido do espaço-tempo (a unificação do espaço e do tempo em uma entidade de 4 dimensões) se deforme. 

Pense nisso como sendo semelhante a colocar bolas de massas variadas em um tecido de borracha esticada. Quanto maior a massa da bola, mais extrema a curvatura, de modo que uma bola de boliche deforma o tecido muito mais do que uma bola de gude. O mesmo para objetos celestes, uma estrela cria mais deformação do que um planeta. Os buracos negros são criados quando uma estrela massiva colapsa completamente como resultado de sua própria gravidade. A massa da estrela é comprimida em um espaço infinitamente pequeno, causando uma distorção extrema do espaço-tempo.

Porque o termo "buraco negro" refere-se a toda a dobra, não apenas a massa infinita que habita em seu coração, (Lambourne. RJ A, 2010, pg 171) é mais correto chamar os buracos negros de "eventos do espaço-tempo" em vez de objetos. E os horizontes de eventos são a borda externa desses eventos, onde o espaço-tempo se curva tanto que qualquer coisa que passe por eles está destinada a fazer uma viagem só de ida ao centro do buraco negro.

Em 1915, menos de um mês depois que a relatividade geral foi publicada pela primeira vez, o astrofísico Karl Schwarzschild se tornou a primeira pessoa a resolver as equações de tensores de campo da relatividade geral, de acordo com o Instituto de Física.

Schwarzschild estudou a relatividade geral enquanto servia no exército alemão na Frente Oriental na Primeira Guerra Mundial em 1914. Ele escreveu a Einstein com suas soluções simples e exatas que Einstein temia que nunca pudessem ser alcançado porque ele próprio só conseguiu soluções aproximadas. Schwarzschild faleceu em 1916, mesmo ano em que suas soluções foram publicadas. 

A matemática da relatividade geral (Lambourne. RJ A, 2010, pg 171) prevê duas singularidades. Uma singularidade coordenada, que é o horizonte de eventos, o limite externo do buraco negro, e uma singularidade gravitacional, que representa o coração do buraco negro.

A solução de Schwarzschild deu à singularidade coordenada e, portanto, ao horizonte de eventos uma localização sólida em torno de um buraco negro conhecido como "raio de Schwarzschild".

A singularidade da coordenada pode ser removida com uma aplicação inteligente de matemática e transformando o sistema de coordenadas. Mas a singularidade gravitacional ou "singularidade real" não pode ser removida. Ela desafia os físicos até hoje, pois representa o ponto em que a física que descreve o universo se desfaz completamente. 

ONDE ESTÁ O HORIZONTE DE EVENTOS E QUAL É O SEU TAMANHO?

A anatomia de um buraco negro. Crédito da imagem: AFP Photo/NASA/JPL-Caltech

O raio de Schwarzschild (Rs) é uma esfera localizada no raio da singularidade "real" central de um buraco negro, que tem um raio (r) de r = 0, igual ao raio igual a 2 vezes a constante gravitacional de Newton ou "grande G" (G) vezes a massa do corpo (M) dividida pela velocidade da luz ao quadrado (c²) [Lambourne. RJ A, 2010, pág. 172]. A equação para o raio de Schwartzchild se parece com isso Rs = 2GM/c².

Essa equação implica que o tamanho do horizonte de eventos depende da massa do buraco negro. Quanto maior a massa, mais distante da singularidade central estará o horizonte de eventos. 

Não são apenas os buracos negros que têm um raio de Schwarzschild, todos os corpos massivos, como planetas e estrelas, mas esses não são horizontes de eventos porque esses pontos geralmente estão bem no centro dos corpos.

Por exemplo, dada a massa do sol de 1,989 × 10³⁰ kg, seu raio de Schwarzschild ocorre a cerca de 3 quilômetros (1,86 milhas) de seu ponto central, comparado ao raio do sol de cerca de 696.000 km (432.450 milhas). O raio de Schwarzschild da Terra está ainda mais próximo de seu ponto central, com nosso planeta tendo um raio de Schwarzschild de não mais que 9 milímetros!

Para ver por que o raio de Schwartzchild constitui uma superfície de captura de luz, considere que a velocidade de escape necessária para fugir da influência gravitacional de um corpo é igual à raiz quadrada de 2 vezes o "grande G" (G) vezes a massa do corpo (M) dividido pelo raio do corpo, então Ves = (2GM/r)¹/². Para a Terra, isso dá uma velocidade de cerca de 11,2 km por segundo (7 milhas por segundo). 

Para um corpo com raio menor que 2GM/c² a velocidade de escape aumenta para mais de 3,0 x 108 metros por segundo, a velocidade da luz no vácuo nos diz que nem mesmo a luz pode ultrapassar a gravidade neste ponto.

Outra consequência do raio de Schwartzchild é que, para se tornar um buraco negro, o raio de um corpo com massa deve encolher para dentro do Rs. Se o sol fosse comprimido o suficiente para se tornar um buraco negro, seu raio teria que encolher de mais de 400.000 milhas para apenas 1,86 milhas (3 km). Enquanto isso, para o nosso planeta se tornar um buraco negro, o raio da Terra teria que encolher de cerca de 6.400 km (4.000 milhas) para apenas 0,9 centímetros (0,35 polegadas)! 

Sagitário A*, o buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea, tem cerca de 4,3 milhões de vezes a massa do nosso Sol e tem um diâmetro de cerca de 12,7 milhões de km (7,9 milhões de milhas), enquanto M87 no coração da galáxia de Virgem A tem cerca de 6 bilhões de massas solares e 17,7 bilhões de km (11 bilhões de milhas) de largura.

IMAGEM DO TELESCÓPIO EVENT HORIZON

Uma imagem do buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea, um gigante apelidado de Sagitário A*, revelado pelo Telescópio Event Horizon em 12 de maio de 2022. Crédito da imagem: Colaboração do Event Horizon Telescope

Em 2019, o Telescópio Event Horizon (EHT) fez história ao capturar a primeira imagem direta da humanidade de um buraco negro, ou como você perceberá agora com mais precisão, o ambiente eminente ao redor do buraco negro.

A imagem mostrava o buraco negro supermassivo no centro de Messier 87 (M87), localizado a 53 milhões de anos-luz de distância com uma massa equivalente a cerca de seis bilhões e meio de sóis, de acordo com a colaboração do EHT. A imagem mostra um anel brilhante de material viajando ao redor do horizonte de eventos próximo à velocidade da luz. 

A variedade de telescópios em todo o mundo que compõem o EHT e fazem um telescópio virtual do tamanho da Terra fez história novamente em 2022, quando obteve imagens do buraco negro supermassivo no coração de nossa própria galáxia, conhecido como Sagitário A* (Sgr A*). 

"Ficamos surpresos com a concordância do tamanho do anel com as previsões da Teoria da Relatividade Geral de Einstein", cientista do projeto EHT e astrônomo do Instituto de Astronomia e Astrofísica, Geoffrey Bower disse em comunicado. “Essas observações sem precedentes melhoraram muita nossa compreensão do que acontece bem no centro de nossa galáxia e oferecem novos insights sobre como esses buracos negros gigantes interagem com seus arredores”.

Assim, a imagem dos buracos negros no coração de M87 e da Via Láctea demonstra que, embora os horizontes de eventos protejam muitos segredos que se escondem atrás deles, protegendo a singularidade central no coração desses eventos do espaço-tempo do escrutínio, eles também ajudam a revelar uma riqueza de informações sobre seus arredores e a física extrema que molda as galáxias.

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RECURSOS ADICIONAIS

O astrofísico Karl Schwarzschild é o homem que primeiro resolveu as equações de tensores de campo da relatividade geral e para quem a localização do horizonte de eventos é nomeada. Você pode ler sobre essa vida extraordinária neste artigo publicado no site de divulgação científica Secrets of the Universe. Leia mais sobre o Telescópio Event Horizon e a captura da primeira imagem do buraco negro em 2019 com esses recursos no site do Telescópio Event Horizon. Se você quiser saber mais sobre como estrelas massivas morrem e colapsam para formar buracos negros, confira esses recursos da NASA. A agência também explica como estuda essas regiões do espaço. 

BIBLIOGRAFIA

• Lambourne. RJA, Relativity, Gravitation, and Cosmology, Cambridge University Press, [2010], ISBN: 978-0-521-13138-4 https://www.amazon.co.uk/Relativity-Gravitation-Cosmology-Robert-Lambourne/ dp/0521131383
• Ta-Pei Cheng, Relativity, Gravitation, and Cosmology: A basic Introduction, Oxford University Press, [2010], ISBN 978-0-19-957364
• Event Horizon, Swinburne Center for Astrophysics and Supercomputing, [acesso em 18/02/23], [https://astronomy.swin.edu.au/cosmos/e/Event+Horizon]
• Astrônomos revelam a primeira imagem do buraco negro no coração da nossa galáxia, Event Horizon Telescope, [2022], galáxia]
• Campos magnéticos de imagem de astrônomos na borda do buraco negro de M87, Event Horizon Telescope, [2021], [https://eventhorizontelescope.org/blog/astronomers-image-magnetic-fields-edge-m87s-black-hole]
• Astrônomos capturam a primeira imagem de um buraco negro, Event Horizon Telescope, [2019], [https://eventhorizontelescope.org/press-release-april-10-2019-astronomers-capture-first-image-black-hole]
• O que são buracos negros? NASA, [acesso em 18/02/23], [https://www.nasa.gov/vision/universe/starsgalaxies/black_hole_description.html]
• Eisenstaedt, D. Howard, J. Stachel (eds), A interpretação inicial da solução de Schwarzschild, Einstein e a história da relatividade geral: Estudos de Einstein, vol. 1, pp. 213-234. Boston: Birkhauser, [1989]

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Referência:

LEA, Robert; CHOI, Charles Q. What is a black hole event horizon (and what happens there)? Space, Nova York, 09, abr. 2019. References. Disponível em: <https://www.space.com/black-holes-event-horizon-explained.html>. Acesso em: 05, mar. 2023.

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.