Os buracos negros são talvez os objetos mais misteriosos do universo. A menos, é claro, que as coisas estejam escondidas em algum lugar nas profundezas, cuja existência não sabemos e não podemos saber, o que é improvável. Os buracos negros são massa e densidade colossais, comprimidos em um ponto de um pequeno raio. As propriedades físicas desses objetos são tão estranhas que intrigam os físicos e astrofísicos mais sofisticados. Sabine Hossfender, uma física teórica, compilou uma seleção de dez fatos sobre buracos negros que todos deveriam saber.
O que é um buraco negro?
A propriedade definidora de um buraco negro é seu horizonte. Esta é uma fronteira além da qual nada, nem mesmo a luz, pode retornar. Se uma área separada se separa para sempre, estamos falando de um "horizonte de eventos". Se for apenas temporariamente separado, falamos de "horizonte visível". Mas esse "temporário" também pode significar que a região ficará separada por muito mais tempo do que a idade atual do universo. Se o horizonte do buraco negro é temporário, mas de longa duração, a diferença entre o primeiro e o segundo é borrada.
Qual o tamanho dos buracos negros?
Você pode imaginar o horizonte de um buraco negro como uma esfera, e seu diâmetro será diretamente proporcional à massa do buraco negro. Portanto, quanto mais massa cai no buraco negro, maior se torna o buraco negro. Em comparação com objetos estelares, entretanto, os buracos negros são minúsculos, porque a massa é comprimida em volumes muito pequenos sob a influência de uma pressão gravitacional irresistível. O raio de um buraco negro com a massa do planeta Terra, por exemplo, é de apenas alguns milímetros. Isso é 10.000.000.000 vezes menor que o raio atual da Terra.
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O raio do buraco negro é chamado de raio de Schwarzschild em homenagem a Karl Schwarzschild, que primeiro deduziu os buracos negros como uma solução para a teoria geral da relatividade de Einstein.
O que está acontecendo no horizonte?
Quando você cruza o horizonte, nada de especial acontece ao seu redor. Tudo por causa do princípio de equivalência de Einstein, do qual se segue que você não pode encontrar a diferença entre a aceleração no espaço plano e o campo gravitacional que cria a curvatura do espaço. Porém, um observador distante do buraco negro que está observando outra pessoa cair nele perceberá que a pessoa se moverá cada vez mais lentamente, aproximando-se do horizonte. É como se o tempo se movesse mais lentamente perto do horizonte de eventos do que longe do horizonte. No entanto, algum tempo passará e o observador que cair no buraco cruzará o horizonte de eventos e se encontrará dentro do raio de Schwarzschild.
O que você experimenta no horizonte depende das forças das marés do campo gravitacional. As forças de maré no horizonte são inversamente proporcionais ao quadrado da massa do buraco negro. Isso significa que quanto maior e mais massivo o buraco negro, menos força. E se apenas o buraco negro for massivo o suficiente, você pode cruzar o horizonte antes mesmo de perceber que algo está acontecendo. O efeito dessas forças de maré vai esticar você: o termo técnico que os físicos usam para isso é espaguetificação.
Nos primeiros dias da relatividade geral, acreditava-se que havia uma singularidade no horizonte, mas acabou não sendo o caso.
O que há dentro de um buraco negro?
Ninguém sabe ao certo, mas definitivamente não a estante. A relatividade geral prevê que em um buraco negro existe uma singularidade, um lugar onde as forças das marés se tornam infinitamente grandes e, uma vez que você ultrapassa o horizonte de eventos, você não pode ir a nenhum outro lugar a não ser para a singularidade. Conseqüentemente, é melhor não usar a relatividade geral nesses lugares - ela simplesmente não funciona. Para saber o que acontece dentro de um buraco negro, precisamos de uma teoria da gravidade quântica. É geralmente aceito que esta teoria substituirá a singularidade por outra coisa.
Como os buracos negros se formam?
Atualmente conhecemos quatro maneiras diferentes de formar buracos negros. Melhor compreendido está associado ao colapso estelar. Uma estrela grande o suficiente forma um buraco negro depois que sua fusão nuclear cessa, porque tudo que já poderia ser sintetizado foi sintetizado. Quando a pressão criada pela fusão cessa, a matéria começa a cair em direção ao seu próprio centro gravitacional, tornando-se cada vez mais densa. No final, torna-se tão denso que nada pode superar o efeito gravitacional na superfície da estrela: é assim que nasce um buraco negro. Esses buracos negros são chamados de "buracos negros de massa solar" e são os mais comuns.
O próximo tipo comum de buraco negro são os "buracos negros supermassivos", que podem ser encontrados no centro de muitas galáxias e têm massa cerca de um bilhão de vezes a dos buracos negros solares. Ainda não se sabe ao certo como exatamente eles são formados. Acredita-se que eles começaram como buracos negros de massa solar que consumiram muitas outras estrelas em centros galácticos densamente povoados e cresceram. No entanto, eles parecem absorver matéria mais rápido do que esta ideia simples sugere, e como exatamente eles fazem isso ainda é um assunto de pesquisa.
Uma ideia mais controversa era os buracos negros primordiais, que poderiam ter sido formados por quase qualquer massa em grandes flutuações de densidade no universo primitivo. Embora seja possível, é difícil encontrar um modelo que os produza sem criá-los em excesso.
Finalmente, existe a ideia muito especulativa de que minúsculos buracos negros com massas próximas à do bóson de Higgs poderiam se formar no Grande Colisor de Hádrons. Isso só funciona se nosso universo tiver dimensões extras. Até o momento, não houve confirmação em favor dessa teoria.
Como sabemos que existem buracos negros?
Temos muitas evidências observacionais de objetos compactos com grandes massas que não emitem luz. Esses objetos se entregam por atração gravitacional, por exemplo, devido ao movimento de outras estrelas ou nuvens de gás ao seu redor. Eles também criam lentes gravitacionais. Sabemos que esses objetos não possuem uma superfície sólida. Isso decorre de observações, porque a matéria caindo em um objeto com uma superfície deve causar a liberação de mais partículas do que a matéria caindo no horizonte.
Por que Hawking disse no ano passado que os buracos negros não existem?
Ele quis dizer que os buracos negros não têm um horizonte de eventos eterno, mas apenas um horizonte aparente temporário (ver parágrafo um). Em sentido estrito, apenas o horizonte de eventos é considerado um buraco negro.
Como os buracos negros emitem radiação?
Os buracos negros emitem radiação devido aos efeitos quânticos. É importante notar que esses são efeitos quânticos da matéria, não efeitos quânticos da gravidade. O espaço-tempo dinâmico de um buraco negro em colapso muda a própria definição de uma partícula. Como a passagem do tempo, que distorce perto de um buraco negro, o conceito de partículas é muito dependente do observador. Em particular, quando um observador que está caindo em um buraco negro pensa que está caindo no vácuo, um observador distante do buraco negro pensa que este não é um vácuo, mas um espaço cheio de partículas. É o alongamento do espaço-tempo que causa esse efeito.
Descoberta pela primeira vez por Stephen Hawking, a radiação emitida por um buraco negro é chamada de radiação Hawking. Essa radiação tem uma temperatura inversamente proporcional à massa do buraco negro: quanto menor o buraco negro, maior a temperatura. Os buracos negros estelares e supermassivos que conhecemos têm temperaturas bem abaixo da temperatura de fundo de microondas e, portanto, não são observados.
O que é um paradoxo da informação?
O paradoxo da perda de informações é causado pela radiação Hawking. Essa radiação é puramente térmica, ou seja, possui apenas temperatura por acaso e de certas propriedades. A radiação em si não contém nenhuma informação sobre como o buraco negro se formou. Mas quando um buraco negro emite radiação, ele perde massa e se contrai. Tudo isso é completamente independente da substância que se tornou parte do buraco negro ou da qual ele foi formado. Acontece que, sabendo apenas o estado final de evaporação, não se pode dizer de onde o buraco negro foi formado. Este processo é "irreversível" - e o problema é que não existe tal processo na mecânica quântica.
Acontece que a evaporação de um buraco negro é incompatível com a teoria quântica que conhecemos e algo precisa ser feito a respeito. Elimine a inconsistência de alguma forma. A maioria dos físicos acredita que a solução é que a radiação Hawking deve, de alguma forma, conter informações.
O que Hawking sugere para resolver o paradoxo da informação do buraco negro?
A ideia é que os buracos negros devem ter uma forma de armazenar informações que ainda não foram aceitas. As informações são armazenadas no horizonte de um buraco negro e podem causar pequenos deslocamentos de partículas na radiação Hawking. Nesses pequenos deslocamentos, pode haver informações sobre a matéria aprisionada. Os detalhes exatos desse processo ainda não são claros. Os cientistas aguardam um artigo técnico mais detalhado de Stephen Hawking, Malcolm Perry e Andrew Strominger. Dizem que vai sair no final de setembro.
No momento, temos certeza de que os buracos negros existem, sabemos onde estão, como se formam e o que virão a ser. Mas os detalhes de onde as informações vão para eles ainda representam um dos maiores mistérios do universo.
Ilya Khel
