Veja aqui o que você deve saber sobre buracos negros, alguns dos objetos mais estranhos do espaço.

Vista simulada de um buraco negro em frente à Grande Nuvem de Magalhães. Crédito da imagem: Alain R. | Wikimedia Commons

Os buracos negros são alguns dos objetos mais estranhos e fascinantes do espaço sideral. Eles são extremamente densos, com uma atração gravitacional tão forte que mesmo a luz não pode escapar de seu alcance se chegar perto o suficiente. 

Albert Einstein previu pela primeira vez a existência de buracos negros em 1916, com sua teoria geral da relatividade. O termo "buraco negro" foi cunhado muitos anos depois, em 1967, pelo astrônomo americano John Wheeler. Depois de décadas dos buracos negros sendo conhecidos apenas como objetos teóricos, o primeiro buraco negro físico descoberto foi em 1971.

Então, em 2019, a colaboração do Event Horizon Telescope (EHT) divulgou a primeira imagem já registrada de um buraco negro. O EHT viu o buraco negro no centro da galáxia M87 enquanto o telescópio examinava o horizonte de eventos, ou a área além da qual nada pode escapar de um buraco negro. A imagem mapeia a perda repentina de fótons (partículas de luz). Também abre uma nova área de pesquisa em buracos negros, agora que os astrônomos sabem como é um buraco negro.

Até agora, os astrônomos identificaram três tipos de buracos negros: buracos negros estelares, buracos negros supermassivos e buracos negros intermediários.

Buracos negros estelares, pequenos, mas mortais

Quando uma estrela queima o resto de seu combustível, o objeto pode entrar em colapso ou colapsar em si mesmo. Para estrelas menores (aquelas com cerca de três vezes a massa do Sol), o novo núcleo se tornará uma estrela de nêutrons ou uma anã branca. Mas quando uma estrela maior colapsa, continua a comprimir e cria um buraco negro estelar.

Os buracos negros formados pelo colapso de estrelas individuais são relativamente pequenos, mas incrivelmente densos. Um desses objetos tem mais de três vezes a massa do sol com um diâmetro de uma cidade. Isso leva a uma quantidade louca de força gravitacional puxando objetos ao redor do objeto. Os buracos negros estelares consomem a poeira e o gás de suas galáxias circundantes, o que os mantém crescendo em tamanho.

De acordo com um estudo realizado por pesquisadores da UV Irvine na Forbes, a "Via Láctea abriga até 100 milhões de buracos negros".

Buracos negros supermassivos, o nascimento de gigantes

Pequenos buracos negros povoam o universo, mas seus primos, os buracos negros supermassivos, dominam. Esses enormes buracos negros são milhões ou mesmo bilhões de vezes mais massivos que o Sol, mas têm aproximadamente o mesmo tamanho em diâmetro. Acredita-se que esses buracos negros estejam no centro de praticamente todas as galáxias, incluindo a Via Láctea.

Os cientistas não têm certeza de como esses grandes buracos negros aparecem. Depois que esses gigantes se formam, eles reúnem massa de poeira e do gás ao seu redor, material abundante no centro das galáxias, permitindo que cresçam para tamanhos ainda maiores.

Buracos negros supermassivos podem ser o resultado de centenas ou milhares de minúsculos buracos negros que se fundem. Grandes nuvens de gás também podem ser responsáveis, colapsando e acumulando massa rapidamente. Uma terceira opção é o colapso de um aglomerado estelar, um grupo de estrelas colapsando juntas. Quarto, buracos negros supermassivos podem surgir de grandes aglomerados de matéria escura. Esta é uma substância que podemos observar através de seu efeito gravitacional sobre outros objetos; no entanto, não sabemos do que a matéria escura é composta porque ela não emite luz e não pode ser observada diretamente.

Ilustração de um jovem buraco negro, como os dois quasares distantes e livres de poeira descobertos recentemente pelo Telescópio Espacial Spitzer. Mais fotos de buracos negros do universo. Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech

Buracos negros intermediários, presos no meio

Os cientistas cogitavam que os buracos negros existiam apenas em tamanhos pequenos e grandes, mas pesquisas recentes revelaram a possibilidade de que buracos negros de tamanho médio ou intermediário (IMBHs) pudessem existir. Esses corpos podem se formar quando estrelas em um aglomerado colidem em uma reação em cadeia. Vários desses IMBHs que se formam na mesma região podem eventualmente colidir juntos no centro de uma galáxia e criar um buraco negro supermassivo.

Em 2014, os astrônomos descobriram o que parecia ser um buraco negro de massa intermediária no braço de uma galáxia espiral. E em 2021 os astrônomos aproveitaram uma antiga explosão de raios gama para detectar um.

"Os astrônomos têm procurado muito por esses buracos negros de tamanho médio", disse o coautor do estudo Tim Roberts, da Universidade de Durham, no Reino Unido, em um comunicado. "Houve indícios de que eles existem, mas os IMBHs estão agindo como um parente perdido há muito tempo que não está interessado em ser encontrado".

Pesquisas mais recentes, de 2018, sugeriram que esses IMBHs podem existir no coração de galáxias anãs (ou galáxias muito pequenas). Observações de 10 dessas galáxias (cinco das quais eram desconhecidas pela ciência antes desta última pesquisa) revelaram atividade de raios-X, comum em buracos negros, sugerindo a presença de buracos negros de 36.000 a 316.000 massas solares. A informação veio do Sloan Digital Sky Survey, que examina cerca de 1 milhão de galáxias e pode detectar o tipo de luz frequentemente observada proveniente de buracos negros que estão coletando detritos próximos.

Como são os buracos negros?

Buracos negros são regiões estranhas onde a gravidade é forte o suficiente para dobrar a luz, deformar o espaço e distorcer o tempo. Veja como os buracos negros funcionam neste infográfico SPACE.com. Crédito da imagem: Karl Tate, colaborador do SPACE.com

Os buracos negros têm três "camadas": O horizonte de eventos externo e interno e a singularidade.

O horizonte de eventos de um buraco negro é o limite ao redor da boca do buraco negro, além do qual a luz não pode escapar. Uma vez que uma partícula cruza o horizonte de eventos, ela não pode sair. A gravidade é constante em todo o horizonte de eventos.

A região interna de um buraco negro, onde está a massa do objeto, é conhecida como sua singularidade, o único ponto no espaço-tempo onde a massa do buraco negro está concentrada.

Os cientistas não podem ver buracos negros da mesma forma que podem ver estrelas e outros objetos no espaço. Em vez disso, os astrônomos devem confiar na detecção da radiação que os buracos negros emitem à medida que poeira e gás são atraídos para os objetos densos. Mas buracos negros supermassivos, situados no centro de uma galáxia, podem ficar envoltos pela espessa poeira e gás ao seu redor, o que pode bloquear as emissões reveladoras.

Às vezes, quando a matéria é atraída para um buraco negro, ela ricocheteia no horizonte de eventos e é lançada para fora, em vez de ser puxada para dentro de sua boca. Jatos brilhantes de material viajando a velocidades quase relativísticas são criados. Embora o buraco negro permaneça invisível, esses jatos poderosos podem ser vistos de grandes distâncias.

A imagem do Event Horizon Telescope de um buraco negro em M87 (lançada em 2019) foi um esforço extraordinário, exigindo dois anos de pesquisa mesmo depois que as imagens foram tiradas. Isso porque a colaboração de telescópios, que se estende por muitos observatórios em todo o mundo, produz uma quantidade impressionante de dados que é grande demais para ser transferida pela internet.

Com o tempo, os pesquisadores esperam criar imagens de outros buracos negros e construir um repositório de como são os objetos. O próximo alvo é provavelmente Sagitário A*, que é o buraco negro no centro da nossa Via Láctea. Sagitário A* é intrigante porque é mais silencioso do que o esperado, o que pode ser devido a campos magnéticos sufocando sua atividade, relatou um estudo de 2019. Outro estudo naquele ano mostrou que um halo de gás frio circunda Sagitário A*, o que dá uma visão sem precedentes de como é o ambiente ao redor de um buraco negro.

O Event Horizon Telescope, um conjunto em escala planetária de oito radiotelescópios terrestres forjados através de colaboração internacional, capturou esta imagem do buraco negro supermassivo no centro da galáxia M87 e sua sombra. Crédito da imagem: Colaboração EHT

Luz brilhante em buracos negros binários

Em 2015, astrônomos usando o Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) detectaram ondas gravitacionais da fusão de buracos negros estelares.

“Temos mais uma confirmação da existência de buracos negros de massa estelar que são maiores que 20 massas solares, esses são objetos que não sabíamos que existiam antes que o LIGO os detectasse”, David Shoemaker, porta-voz da LIGO Scientific Collaboration (LSC), disse em um comunicado. As observações do LIGO também fornecem informações sobre a direção em que um buraco negro gira. À medida que dois buracos negros espiralam um ao redor do outro, eles podem girar na mesma direção ou em direção oposta.

Existem duas teorias sobre como os buracos negros binários se formam. A primeira sugere que os dois buracos negros se formaram em forma binária aproximadamente ao mesmo tempo, a partir de duas estrelas que nasceram juntas e morreram explosivamente aproximadamente ao mesmo tempo. As estrelas companheiras teriam a mesma orientação de rotação uma da outra, então os dois buracos negros deixados para trás também teriam.

Sob o segundo modelo, buracos negros em um aglomerado estelar afundam no centro do aglomerado e formam pares. Esses companheiros teriam orientações de rotação aleatórias em comparação um com o outro. As observações do LIGO de buracos negros companheiros com diferentes orientações de rotação fornecem evidências mais fortes para essa teoria de formação.

“Estamos começando a reunir estatísticas reais sobre sistemas binários de buracos negros”, disse o cientista do LIGO Keita Kawabe, da Caltech, que está baseado no Observatório LIGO Hanford. “Isso é interessante porque alguns modelos de formação binária de buracos negros são um pouco favorecidos em relação aos outros até agora e, no futuro, podemos restringir ainda mais isso”.

• Fatos estranhos sobre buracos negros
• Se você caísse em um buraco negro, a teoria sugere há muito tempo que a gravidade o alongaria como espaguete, embora sua morte ocorresse antes de você atingir a singularidade. Mas um estudo de 2012 publicado na revista Nature sugeriu que os efeitos quânticos fariam com que o horizonte de eventos agisse como uma parede de fogo, que instantaneamente o queimaria até a morte.
• Buracos negros não são ruins. A sucção é causada por puxar algo para o vácuo, o que o buraco negro maciço definitivamente não é. Em vez disso, os objetos caem neles assim como caem em direção a qualquer coisa que exerça gravidade, como a Terra.
• O primeiro objeto considerado um buraco negro é Cygnus X-1. Cygnus X-1 foi objeto de uma aposta amigável em 1974 entre Stephen Hawking e o físico Kip Thorne, com Hawking apostando que a fonte não era um buraco negro. Em 1990, Hawking admitiu a derrota.
• Buracos negros em miniatura podem ter se formado imediatamente após o Big Bang. O espaço em rápida expansão pode ter espremido algumas regiões em minúsculos e densos buracos negros menos massivos que o sol.
• Se uma estrela passar muito perto de um buraco negro, a estrela pode ser dilacerada.
• Os astrônomos estimam que a Via Láctea tenha de 10 milhões a 1 bilhão de buracos negros estelares, com massas aproximadamente três vezes maiores que a do Sol.
• Os buracos negros continuam a ser um excelente alimento para livros e filmes de ficção científica. Confira o filme "Interestelar", que se baseou fortemente em Thorne para incorporar a ciência. O trabalho de Thorne com a equipe de efeitos especiais do filme levou os cientistas a entender melhor como as estrelas distantes podem aparecer quando vistas perto de um buraco negro em rotação rápida.

Recursos adicionais:

• Aprofunde-se no mistério dos buracos negros com a NASA Science. 
• Assista a vídeos e leia mais sobre buracos negros no Hubblesite da NASA. 
• Descubra mais sobre buracos negros com a National Science Foundation.

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Referência:

TILLMAN, Nola Taylor; BIGGS, Ben. What are black holes? Facts, theory & definition. Space, 04, dez. 2021. Disponível em: <https://www.space.com/15421-black-holes-facts-formation-discovery-sdcmp.html>. Acesso em: 03, mar. 2022.