O universo destrói algo de maneiras diferentes. Se você tentar prender a respiração no espaço, seus pulmões explodirão; se, em vez disso, respirar cada molécula de ar, perderá a consciência. Em alguns lugares, você congelará, tendo perdido o resto do calor de seu corpo; outros serão tão quentes que os átomos do seu corpo se transformarão em plasma. Mas, de todas as maneiras pelas quais o universo se livra de objetos, a mais divertida é mandá-los para um buraco negro.
O que há além do horizonte de eventos?
De acordo com nossa teoria da gravidade - a teoria geral da relatividade de Einstein - as propriedades de um buraco negro são determinadas por três coisas. Nomeadamente:
- Massa, ou a quantidade total de matéria e a quantidade equivalente de energia (de acordo com a fórmula E = mc2), que vão para a formação e crescimento de um buraco negro ao seu estado atual.
- Carga, ou a carga elétrica total que existe em um buraco negro de todos os objetos carregados positiva e negativamente que caíram no buraco negro em toda a história de sua vida.
- Momento angular (momento), ou spin, que é uma medida da quantidade total de movimento rotacional que um buraco negro tem por natureza.
Na realidade, todos os buracos negros que existem fisicamente em nosso universo devem ter grandes massas, quantidades significativas de momento angular e cargas desprezíveis. Isso torna a situação extremamente difícil.
Quando normalmente imaginamos um buraco negro, imaginamos uma versão simples dele, que é descrita apenas por sua massa. Ele tem um horizonte de eventos em torno de um ponto e uma área em torno desse ponto, além da qual a luz não pode ir. Esta área é completamente esférica e tem um limite que separa áreas das quais a luz pode escapar e das quais não pode: o horizonte de eventos. O horizonte de eventos está a uma certa distância (raio de Schwarzschild) da singularidade em todas as direções simultaneamente.
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Esta é uma versão simplificada de um buraco negro realista, mas um ótimo lugar para começar a pensar sobre a física ocorrendo em dois lugares diferentes: além do horizonte de eventos e dentro do horizonte de eventos.
Fora do horizonte de eventos, a gravidade se comporta como você normalmente esperaria. O espaço se curva na presença de massa, o que faz com que todos os objetos do universo acelerem em direção à singularidade central. Se você estivesse a uma grande distância de um buraco negro em repouso e deixasse um objeto cair nele, o que veria?
Supondo que você conseguiu ficar parado, você verá o objeto em queda acelerar lentamente de você em direção a este buraco negro. Ele irá acelerar em direção ao horizonte de eventos, após o qual algo estranho acontecerá. Vai parecer que ele fica mais lento, desaparece e fica mais vermelho. Mas não vai desaparecer completamente. Ele só se aproximará dele: ficará opaco, vermelho e mais difícil de detectar. Você sempre pode ver se olhar bem de perto.
Agora vamos imaginar o mesmo cenário, mas desta vez vamos imaginar que você é o mesmo objeto caindo em um buraco negro. A experiência será completamente diferente.
O horizonte de eventos ficará maior muito mais rápido do que você esperava à medida que a curvatura do espaço fica mais forte. O espaço é tão curvo em torno do horizonte de eventos que você verá muitas imagens do universo, que é de fora, como se estivesse refletido e virado.
E assim que você cruzar o horizonte de eventos, você não apenas ainda será capaz de ver o universo externo, mas parte do universo dentro do horizonte de eventos. Nos momentos finais, o espaço parecerá completamente plano.
O que há em um buraco negro?
A física de tudo isso é complexa, mas os cálculos são bastante simples e elegantemente feitos por Andrew Hamilton, da Universidade do Colorado, em uma série de artigos do final dos anos 2000 e início dos anos 2010. Hamilton também criou uma série de representações impressionantes do que você verá caindo em um buraco negro com base nesses cálculos.
Depois de examinar esses resultados, podemos tirar uma série de conclusões, muitas das quais são ilógicas. Para tentar entendê-los, você precisa mudar a maneira como você representa o espaço. Geralmente pensamos nisso como um tecido imóvel e pensamos que o observador está "descendo" em algum lugar. Mas dentro do horizonte de eventos, você está sempre em movimento. O espaço se move - como uma esteira - continuamente, movendo tudo em si mesmo em direção à singularidade.
E move tudo tão rápido que mesmo que você acelere direto da singularidade com força infinita, você ainda cairá em direção ao centro. Objetos além do horizonte de eventos ainda enviarão luz de todas as direções, mas você só poderá ver uma fração dos objetos além do horizonte de eventos.
A linha que define a fronteira entre o que qualquer observador pode ver é matematicamente descrita pelo cardióide, onde o componente de maior raio toca o horizonte de eventos e o componente de menor raio está na singularidade. Isso significa que uma singularidade, mesmo como um ponto, não conecta necessariamente tudo o que está nela com tudo o mais. Se você e eu cairmos no horizonte de eventos de diferentes direções ao mesmo tempo, nunca veremos a luz um do outro depois que o horizonte de eventos se cruzar.
A razão para isso é o tecido em constante movimento do próprio Universo. Dentro do horizonte de eventos, o espaço se move mais rápido que a luz, então nada pode escapar do buraco negro. É por isso que, quando você atinge um buraco negro, começa a ver coisas estranhas, como várias imagens do mesmo objeto.
Você pode entender isso fazendo a pergunta: onde está a singularidade?
De dentro do horizonte de eventos do buraco negro, qualquer que seja a direção em que você se mova, você acaba encontrando a própria singularidade. Portanto, curiosamente, a singularidade aparece em todas as direções. Se suas pernas estão apontando na direção da aceleração, você as verá à sua frente, mas também acima de você. Tudo isso é fácil de calcular, embora extremamente ilógico. E isso é apenas para um caso simplificado: um buraco negro não giratório.
Agora vamos passar para o caso fisicamente interessante: quando o buraco negro gira. Os buracos negros devem sua origem a sistemas de matéria - como estrelas - que sempre giram em algum nível. Em nosso universo (e na relatividade geral), o momento angular é a quantidade fechada absoluta para qualquer sistema fechado; não há como se livrar disso. Quando o agregado de matéria colapsa para um raio menor que o raio do horizonte de eventos, o momento angular fica preso dentro dele, assim como a massa.
A solução que temos aqui será muito mais complicada. Einstein apresentou a relatividade geral em 1915, e Karl Schwarzschild obteve uma solução para um buraco negro não giratório alguns meses depois, no início de 1916. Mas o próximo passo na modelagem desse problema de uma forma mais realista - onde o buraco negro tem momento angular, não apenas massa - foi dado apenas em 1963, quando Roy Kerr encontrou a solução exata em 1963.
Existem várias diferenças fundamentais e importantes entre a solução mais ingênua e mais simples de Schwarzschild e a solução mais realista e complexa de Kerr. Entre eles:
- Em vez de uma única decisão sobre onde está o horizonte de eventos, um buraco negro em rotação tem duas soluções matemáticas: um horizonte de eventos interno e externo.
- Além até mesmo do horizonte de eventos externos, existe um lugar conhecido como ergosfera, no qual o próprio espaço se move a uma velocidade de rotação igual à velocidade da luz, e as partículas nele experimentam acelerações tremendas.
- Existe uma razão máxima permitida de momento angular para massa; se o momento for muito forte, o buraco negro irradiará essa energia (por meio da radiação gravitacional) até cair ao limite.
- E o mais interessante: a singularidade no centro do buraco negro não é mais um ponto, mas um anel unidimensional, cujo raio é determinado pela massa e momento angular do buraco negro.
Com tudo isso em mente, o que acontece quando você atinge um buraco negro? Sim, é o mesmo que acontece se você cair em um buraco negro não giratório, exceto que todo o espaço não se comporta como se estivesse caindo em direção à singularidade central. Em vez disso, o espaço também se comporta como se se movesse ao longo da direção de rotação, como um funil giratório. Quanto maior a razão do momento angular para a massa, mais rápido ele gira.
Isso significa que, se você vir algo caindo em um buraco negro, verá que fica mais escuro e vermelho, mas também manchado em um anel ou disco na direção da rotação. Se você cair em um buraco negro, será girado como um carrossel que o puxa para o centro. E quando você atingir a singularidade, será um anel; diferentes partes do seu corpo encontrarão uma singularidade - na superfície ergo-superficial interna do buraco negro de Kerr - em diferentes coordenadas espaciais. Gradualmente, você deixará de ver outras partes do seu corpo.
A coisa mais importante que você precisa entender de tudo isso é que a própria estrutura do espaço está em movimento, e o horizonte de eventos é definido como um lugar no qual, mesmo se você se mover na velocidade da luz, seja qual for a direção que escolher, você inevitavelmente colidirá com uma singularidade.
As visualizações de Andrew Hamilton são os melhores e mais precisos modelos do que acontece quando você cai em um buraco negro, e tão ilógicas que precisam ser vistas repetidamente até que você comece a entender algo (você não começa realmente). É assustador e bonito, e se você for aventureiro o suficiente para voar até um buraco negro e cruzar o horizonte de eventos, esta será a última coisa que você verá.
Ilya Khel
