Nas câmaras emaranhadas dos buracos negros, duas teorias fundamentais sobre o nosso mundo se chocam. Os buracos negros realmente existem? Parece que sim. Os problemas fundamentais que emergem de uma inspeção mais detalhada dos buracos negros podem ser resolvidos? Desconhecido. Para entender com o que os cientistas estão lidando, você terá que mergulhar na história do estudo desses objetos incomuns. E começaremos com o fato de que, de todas as forças que existem na física, há uma que não entendemos de forma alguma: a gravidade.
A gravidade é a interseção da física e da astronomia fundamentais, a fronteira na qual duas das teorias mais fundamentais que descrevem nosso mundo colidem: a teoria quântica e a teoria do espaço-tempo e da gravidade de Einstein, também conhecida como relatividade geral.
Buracos negros e gravidade
Essas duas teorias parecem ser incompatíveis. E isso nem mesmo é um problema. Eles existem em mundos diferentes, a mecânica quântica descreve o muito pequeno e a relatividade geral descreve o muito grande.
É apenas quando você chega a escalas extremamente pequenas e extrema gravidade que as duas teorias colidem e, de alguma forma, uma delas acaba se revelando errada. Em qualquer caso, decorre da teoria.
Mas existe um lugar no universo onde podemos realmente testemunhar esse problema, e talvez até mesmo resolvê-lo: a borda de um buraco negro. É aqui que encontramos a gravidade mais extrema. Mas há um problema: ninguém nunca "viu" um buraco negro.
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O que é um buraco negro?
Imagine que todo o drama do mundo físico se desenrola no teatro do espaço-tempo, mas a gravidade é a única força que realmente muda o teatro em que é representada.
A força da gravidade controla o universo, mas pode nem ser uma força no sentido tradicional. Einstein o descreveu como uma consequência da deformação do espaço-tempo. E talvez simplesmente não se encaixe no modelo padrão da física de partículas.
Quando uma estrela muito grande explode no final de sua vida, sua parte mais interna entra em colapso sob sua própria gravidade, pois não há mais combustível suficiente para manter a pressão contra a gravidade. Afinal, a gravidade ainda é capaz de exercer força, é o que parece.
A matéria entra em colapso e nenhuma força da natureza pode deixar esse colapso.
Ao longo de um tempo infinito, uma estrela colapsa em um ponto infinitesimal: uma singularidade, ou vamos chamá-lo de buraco negro. Mas em um tempo finito, é claro, o núcleo estelar entrará em colapso em algo de dimensões finitas e ainda terá uma massa enorme em uma área infinitamente pequena. E também será chamado de buraco negro.
Os buracos negros não sugam tudo ao redor
Notavelmente, a ideia de que um buraco negro inevitavelmente sugará tudo para dentro de si está errada.
Na verdade, se você está orbitando uma estrela ou um buraco negro formado a partir de uma estrela, não importa, desde que a massa permaneça a mesma. A velha força centrífuga e seu momento angular irão mantê-lo seguro e evitar que caia.
É apenas quando você aciona os freios do foguete para interromper o giro que você começa a cair para dentro.
No entanto, assim que começar a cair em buracos negros, você irá gradualmente acelerar para velocidades cada vez mais altas até que finalmente alcance a velocidade da luz.
Por que a teoria quântica e a relatividade geral são incompatíveis?
No momento, tudo está se despedaçando, pois, de acordo com a relatividade geral, nada pode se mover mais rápido do que a velocidade da luz.
A luz é um substrato usado no mundo quântico para trocar forças e transportar informações para o macrocosmo. A luz determina a rapidez com que você pode conectar causa e efeito. Se você se mover mais rápido que a luz, poderá ver os eventos e mudar as coisas antes que aconteçam. E isso tem duas consequências:
- No ponto em que você atinge a velocidade da luz caindo para dentro, também precisa voar para fora desse ponto a uma velocidade ainda maior, o que parece impossível. Conseqüentemente, a sabedoria física convencional dirá que nada pode deixar um buraco negro quebrando essa barreira, que também chamamos de "horizonte de eventos".
- Também segue daí que os princípios básicos de conservação da informação quântica são repentinamente violados.
Se isso é verdade e como podemos modificar a teoria da gravidade (ou física quântica) são questões para as quais muitos físicos estão procurando respostas. E nenhum de nós pode dizer com quais argumentos vamos acabar.
Os buracos negros existem?
Obviamente, toda essa empolgação seria justificada apenas se buracos negros realmente existissem neste universo. Então, eles existem?
No século passado, foi comprovado de forma conclusiva que algumas estrelas binárias com raios X intensos são na verdade estrelas que colapsaram em buracos negros.
Além disso, nos centros das galáxias, freqüentemente encontramos evidências de grandes concentrações de massa escura. Podem ser versões supermassivas de buracos negros, provavelmente formados pela fusão de muitas estrelas e nuvens de gás que mergulharam no centro da galáxia.
A evidência é forte, mas circunstancial. As ondas gravitacionais nos permitiram pelo menos "ouvir" a fusão dos buracos negros, mas a assinatura do horizonte de eventos ainda é indescritível e nunca "vimos" buracos negros até agora - eles são simplesmente muito pequenos, muito distantes e, na maioria dos casos, muito pretos.
Qual é a aparência de um buraco negro?
Se você olhar diretamente para um buraco negro, verá a escuridão mais escura que se possa imaginar.
Mas os arredores imediatos do buraco negro podem ser brilhantes o suficiente à medida que os gases espiralam para dentro - desacelerando devido à resistência dos campos magnéticos que carregam.
Devido ao atrito magnético, o gás é aquecido a enormes temperaturas de várias dezenas de bilhões de graus e começa a emitir ultravioleta e raios-X.
Elétrons ultracquentes interagindo com o campo magnético do gás começam a produzir intensa emissão de rádio. Assim, os buracos negros podem brilhar e ser circundados por um anel de fogo que emite em diferentes comprimentos de onda.
Anel de fogo com centro preto-preto
E ainda, bem no meio, o horizonte de eventos captura, como uma ave de rapina, cada fóton que chega muito perto.
Como o espaço é curvado pela enorme massa do buraco negro, os caminhos da luz também se dobram e até formam círculos quase concêntricos ao redor do buraco negro, como serpentinas ao redor de um vale profundo. Esse efeito de anel de luz foi calculado já em 1916 pelo famoso matemático David Hilbert, poucos meses depois de Albert Einstein ter concluído sua teoria da relatividade geral.
Depois de atravessar o buraco negro várias vezes, alguns dos raios de luz podem escapar, enquanto outros acabarão no horizonte de eventos. Neste intrincado caminho de luz, você pode literalmente espiar dentro de um buraco negro. E o "nada" que aparece ao seu olhar será o horizonte de eventos.
Se você tirar uma foto de um buraco negro, verá uma sombra negra cercada por uma névoa de luz brilhante. Chamamos esse recurso de sombra do buraco negro.
Surpreendentemente, essa sombra parece ser maior do que seria de esperar se tomarmos o diâmetro do horizonte de eventos como sua origem. A razão é que o buraco negro atua como uma lente gigante, amplificando-se.
O ambiente de sombra será representado por um minúsculo "anel de fótons" devido à luz que gira em torno do buraco negro quase para sempre. Além disso, você verá mais anéis de luz aparecendo perto do horizonte de eventos, mas concentrando-se em torno da sombra do buraco negro devido ao efeito de lente.
Fantasia ou realidade?
Um buraco negro poderia ser uma invenção real que só pode ser modelada em um computador? Ou você pode ver isso na prática? Resposta: é possível.
Existem dois buracos negros supermassivos relativamente próximos no universo que são tão grandes e próximos que suas sombras podem ser capturadas usando tecnologia moderna.
No centro de nossa Via Láctea, existem buracos negros a 26.000 anos-luz de distância com uma massa 4 milhões de vezes a massa do Sol e um buraco negro na gigante galáxia elíptica M87 (Messier 87) com uma massa de 3-6 bilhões de massas solares.
M87 está mil vezes mais distante, mas mil vezes mais massivo e mil vezes maior, então ambos os objetos terão aproximadamente o mesmo diâmetro de uma sombra projetada no céu.
Veja um grão de mostarda em Nova York da Europa
Coincidentemente, teorias de radiação simples prevêem que, para ambos os objetos, a radiação gerada perto do horizonte de eventos será emitida em frequências de rádio de 230 Hz e acima.
A maioria de nós só encontra essas frequências quando precisa passar por um scanner em um aeroporto moderno. Os buracos negros estão constantemente nadando neles.
Essa radiação tem comprimento de onda muito curto - da ordem de um milímetro - que é facilmente absorvida pela água. Para que um telescópio observe ondas cósmicas milimétricas, ele deve ser colocado no alto de uma montanha seca para evitar a absorção de radiação na troposfera da Terra.
Basicamente, precisamos de um telescópio de milímetros que possa ver um objeto do tamanho de um grão de mostarda em Nova York de algum lugar da Holanda. Este telescópio será mil vezes mais nítido do que o Telescópio Espacial Hubble e, em comprimentos de onda milimétricos, o tamanho desse telescópio será o Oceano Atlântico ou maior.
Um telescópio virtual do tamanho da Terra
Felizmente, não precisamos cobrir a Terra com uma única antena de rádio, porque podemos construir um telescópio virtual com a mesma resolução combinando dados de telescópios em diferentes montanhas ao redor da Terra.
Esta técnica é chamada de síntese de abertura e interferometria básica muito longa (VLBI). A ideia é bastante antiga e comprovada ao longo de várias décadas, mas só agora se tornou possível aplicá-la em altas frequências de rádio.
Os primeiros experimentos bem-sucedidos mostraram que as estruturas do horizonte de eventos podem ser investigadas nessas frequências. Agora há tudo de que você precisa para realizar tal experimento em grande escala.
O trabalho já está em andamento
O BlackHoleCam Project é um projeto europeu para a imagem, medição e compreensão de buracos negros astrofísicos. O projeto europeu faz parte de uma colaboração global - o consórcio Event Horizon Telescope, que inclui mais de 200 cientistas da Europa, América, Ásia e África. Juntos, eles querem tirar a primeira foto de um buraco negro.
Em abril de 2017, eles observaram o centro galáctico e o M87 com oito telescópios em seis montanhas diferentes na Espanha, Arizona, Havaí, México, Chile e no Pólo Sul.
Todos os telescópios foram equipados com relógios atômicos precisos para sincronizar com precisão seus dados. Os cientistas registraram vários petabytes de dados brutos, graças às condições meteorológicas surpreendentemente boas em todo o mundo na época.
Foto de um buraco negro
Se os cientistas conseguirem ver o horizonte de eventos, eles saberão que os problemas que surgem na junção da teoria quântica e da relatividade geral não são abstratos, mas muito reais. Talvez seja quando eles possam ser resolvidos.
Isso pode ser feito pela obtenção de imagens mais nítidas das sombras dos buracos negros ou pelo rastreamento de estrelas e pulsares em seu caminho em torno dos buracos negros, usando todos os métodos disponíveis para estudar esses objetos.
Talvez sejam os buracos negros que se tornarão nossos laboratórios exóticos no futuro.
Ilya Khel
