Qual é a sensação de cair em um buraco negro giratório? É impossível observar isso, mas você pode calcular … A questão é extremamente interessante, e a ciência é capaz de respondê-la, porque as propriedades dos buracos negros são conhecidas, escreve a Forbes. O doutor em astrofísica conversou com muitas pessoas que fizeram esses cálculos e tem pressa em falar sobre as descobertas extremamente interessantes, apoiadas por uma série de visualizações.
Existem muitas maneiras terríveis pelas quais o universo pode destruir algo. No espaço, se você tentar prender a respiração, seus pulmões explodirão. E se você exalar todo o ar até a última molécula, depois de alguns segundos, desligue. Em alguns lugares do universo, você se transformará em gelo quando o calor deixar seu corpo; em outros lugares, é tão quente que seus átomos se transformarão em plasma. Mas quando considero como o universo pode se livrar de mim (ou de você), não consigo imaginar uma visão mais fascinante do que entrar em um buraco negro. O cientista Heino Falcke, que está trabalhando no projeto Event Horizon Telescope, é da mesma opinião. Ele está perguntando:
Qual é a sensação de cair em um buraco negro giratório? É impossível observar isso, mas dá para calcular … Conversei com muitas pessoas que fizeram esses cálculos, mas estou envelhecendo e começando a esquecer muita coisa.
Essa pergunta é extremamente interessante e a ciência é capaz de respondê-la. Vamos perguntar a ela.
De acordo com nossa teoria da gravitação, a teoria geral da relatividade de Einstein, existem apenas três características que determinam as propriedades de um buraco negro. Aqui estão eles:
1. Massa, ou a quantidade total de matéria e a quantidade correspondente de energia (calculada pela fórmula E = mc2), que foi gasta na formação e crescimento do buraco negro em seu estado atual.
2. A carga, ou carga elétrica total que surge em um buraco negro de todos os objetos com carga positiva e negativa que caem lá durante sua existência.
3. O momento angular, ou momento rotacional, que mede a quantidade total de movimento rotacional de um buraco negro.
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Realisticamente, todos os buracos negros no Universo devem ter uma grande massa, torque significativo e carga desprezível. Isso complica muito as coisas.
Pensando em um buraco negro, nós o representamos de forma simplificada, caracterizando-se apenas pela massa. Possui um horizonte de eventos em torno de um único ponto (singularidade), bem como uma área em torno desse ponto, da qual a luz não pode escapar. Essa área tem o formato de uma esfera perfeita e um limite separando as áreas que podem emitir luz e as que não podem. Essa fronteira é o horizonte de eventos. O horizonte de eventos está localizado a uma distância muito específica e igual (raio de Schwarzschild) da singularidade em todas as direções.
Esta é uma descrição simplificada de um buraco negro real. Mas é melhor começar com fenômenos físicos ocorrendo em dois locais específicos: fora do horizonte de eventos e dentro do horizonte de eventos.
Além do horizonte de eventos, a gravidade se comporta normalmente. O espaço é curvo pela presença dessa massa, dando a todos os objetos do universo uma aceleração na direção da singularidade central. Se começarmos a uma grande distância do buraco negro em repouso e deixarmos o objeto cair nele, o que vemos?
Suponha que possamos ficar parados. Neste caso, veremos como o objeto está lentamente, mas com aceleração se afastando de nós, se movendo em direção a este buraco negro. Ele acelera em direção ao horizonte de eventos, mantendo sua cor. Mas então algo estranho acontece. O objeto parece diminuir a velocidade, desaparecer e borrar, e então fica cada vez mais vermelho. Mas não desaparece completamente. Em vez disso, parece estar se aproximando desse estado de desaparecimento: torna-se menos distinto, mais vermelho e é cada vez mais difícil detectá-lo. O horizonte de eventos é como a assíntota da luz de um objeto: sempre podemos vê-lo se olharmos de perto.
Agora imagine o mesmo cenário, mas desta vez não observaremos um objeto caindo em um buraco negro de longe. Vamos nos imaginar no lugar de um objeto em queda. E neste caso, nossas sensações serão completamente diferentes.
O horizonte de eventos cresce muito mais rápido à medida que o espaço se dobra do que esperávamos. O espaço é tão curvo em torno do horizonte de eventos que começamos a ver inúmeras imagens do universo externo, como se ele estivesse sendo refletido e virado do avesso.
E quando cruzamos o horizonte de eventos e entramos, vemos não apenas o universo externo, mas parte dele dentro do horizonte de eventos. A luz que recebemos muda para a parte violeta do espectro, depois volta para o vermelho, e inevitavelmente caímos na singularidade. Nos últimos momentos, o espaço exterior parece estranhamente plano.
A imagem física desse fenômeno é complexa, mas os cálculos são bastante simples e diretos, e foram brilhantemente realizados em uma série de artigos científicos escritos em 2000-2010 por Andrew Hamilton, da Universidade do Colorado. Hamilton também criou uma série de visualizações vívidas do que vemos quando caímos em um buraco negro com base em seus cálculos.
Há muitas lições a serem aprendidas com esses resultados, e muitas delas são contra-intuitivas. Tentar entendê-los nos ajudará a mudar nossas percepções visuais do espaço. Normalmente imaginamos o espaço como uma espécie de estrutura imóvel e pensamos que o observador caiu em algum lugar dentro dele. No entanto, dentro do horizonte de eventos, estamos em constante movimento. Todo o espaço está essencialmente em movimento como uma correia transportadora. Ele se move constantemente, movendo tudo dentro de si na direção da singularidade.
Ele move tudo tão rápido que mesmo se começarmos a acelerar para longe da singularidade, tendo uma quantidade infinita de força, ainda cairemos em direção ao centro. A luz de objetos fora do horizonte de eventos ainda nos chegará de todas as direções, mas nós, estando dentro do horizonte de eventos, seremos capazes de ver apenas uma parte desses objetos.
A linha que define a fronteira entre o que o observador vê é chamada de cardiodeto em matemática. O componente do maior raio do cardióide toca o horizonte de eventos, e o componente do menor raio termina na singularidade. Isso significa que, embora a singularidade seja um ponto, ela não conecta inevitavelmente o que está dentro de tudo o mais. Se você e eu formos simultaneamente para lados opostos do horizonte de eventos, depois de cruzá-lo, não seremos mais capazes de nos ver.
A razão para isso está na própria estrutura do Universo, que está em constante movimento. Dentro do horizonte de eventos, o espaço viaja mais rápido que a luz e, portanto, nada pode ir além do buraco negro. Pelo mesmo motivo, dentro de um buraco negro, começamos a ver coisas estranhas, por exemplo, muitas imagens do mesmo objeto.
Você pode entender isso fazendo a seguinte pergunta: "Onde está a singularidade?"
Estando dentro do horizonte de eventos de um buraco negro, nós, tendo começado a nos mover em qualquer direção, acabaremos nos enterrando na singularidade. É incrível, mas a singularidade aparece em todas as direções! Se você mover seus pés para frente e acelerar, verá seus pés abaixo e acima de você ao mesmo tempo. Tudo isso é muito fácil de calcular, embora essa imagem pareça um paradoxo notável. Enquanto isso, estamos considerando apenas um caso simplificado: um buraco negro que não gira.
A primeira fotografia de um buraco negro e seu halo de fogo.
Agora vamos começar a coisa mais engraçada em termos de física e olhar para um buraco negro que está girando. Os buracos negros devem sua origem a sistemas de matéria, como estrelas, que giram constantemente em uma velocidade ou outra. Em nosso Universo (e na relatividade geral), o torque é uma propriedade conservada de qualquer sistema fechado, e não há como se livrar dele. Quando o agregado de matéria encolhe a um raio menor que o raio do horizonte de eventos, o momento de rotação, como a massa, é aprisionado e aprisionado dentro.
A solução é muito mais complicada aqui. Einstein apresentou sua teoria da relatividade em 1915, e Karl Schwarzschild obteve a solução para um buraco negro sem rotação no início de 1916, ou seja, alguns meses depois. Mas o próximo passo na modelagem realista desse problema - dado que um buraco negro não tem apenas massa, mas também torque - foi dado apenas em 1963 por Roy Kerr, que encontrou uma solução.
Existem algumas diferenças fundamentais e importantes entre a solução um tanto ingênua e simples de Schwarzschild, e a solução mais realista e complexa de Kerr. Aqui estão algumas diferenças surpreendentes:
1. Em vez de uma única solução para a questão de onde está o horizonte de eventos, um buraco negro em rotação tem duas soluções matemáticas: um horizonte de eventos interno e externo.
2. Além do horizonte de eventos externo, existe um lugar conhecido como ergosfera, onde o próprio espaço se move a uma velocidade angular igual à velocidade da luz, e as partículas que entram nele recebem uma aceleração colossal.
3. Existe uma relação torque / massa máxima permitida. Se o valor do torque for muito grande, o buraco negro emite essa energia (por meio de radiação gravitacional) até que a relação volte ao normal.
4. E o mais surpreendente é que a singularidade no centro do buraco negro não é mais um ponto, mas sim um anel unidimensional, onde o raio do anel é determinado pela massa e momento de rotação do buraco negro.
Sabendo de tudo isso, podemos entender o que acontece quando entramos em um buraco negro em rotação? Sim, o mesmo que entrar em um buraco negro sem rotação, exceto que o espaço não se comporta como se estivesse caindo em uma singularidade central. O espaço se comporta como se estivesse sendo puxado ao redor da circunferência no sentido de rotação. Parece um redemoinho. Quanto maior a proporção do movimento rotacional em relação à massa, mais rápido ocorre a rotação.
Isso significa que se virmos algo caindo para dentro, perceberemos como esse algo fica vermelho e desaparece gradualmente, mas não só. Ele é comprimido e se transforma em um anel ou disco no sentido de rotação. Se entrarmos, seremos circundados como em um carrossel louco, sugados para o centro. E quando chegarmos à singularidade, ela terá a forma de um anel. Diferentes partes de nosso corpo cairão em uma singularidade na ergo superfície interna do buraco negro de Kerr em diferentes coordenadas espaciais. À medida que nos aproximamos da singularidade de dentro do horizonte de eventos, vamos gradualmente perdendo a capacidade de ver outras partes do nosso corpo.
A informação mais importante a ser extraída de tudo isso é que a própria estrutura do espaço está em movimento; e o horizonte de eventos é definido como o lugar onde você, mesmo com a capacidade de viajar no limite da maior velocidade cósmica, que é a velocidade da luz, e em qualquer direção, sempre tropeçará em uma singularidade.
As renderizações de Andrew Hamilton são as melhores e mais cientificamente precisas simulações do que acontece quando você atinge um buraco negro. Eles são tão contra-intuitivos e tão paradoxais que só posso recomendar uma coisa: observe-os continuamente até que você se engane pensando que os compreende. Esta é uma visão maravilhosa e fantástica. E se o espírito aventureiro em você é tão forte que você decide entrar em um buraco negro e entrar no horizonte de eventos, esta será a última coisa que você verá!
Ethan Siegel
