“É a partir de uma pequena porção que cada partícula, campo de força ou ‘espaçotempo’ em si…cria sua função… o seu significado… a sua própria existência”. (John A. Wheeler)
John Wheeler (1911-2008)
John Archibald Wheeler foi um físico teórico notável, e, um dos últimos a conviver…cientificamente…com Einstein, tentando dar continuidade ao seu sonho da construção de uma…”teoria do campo unificado“. Em declaração de 1962, ele diz: “Campos e partículas são estranhas entidades…imersas em geometria – ou, não são nada, além de geometria…No mundo não há nada, além de espaços curvos vazios…Matéria, carga, eletromagnetismo…’campos’ — nada mais são … que expressões da curvatura espacial. Física é geometria!” A forma como conclui esta frase…”física é geometria”, é testemunho, das ideias que o levaram a envolver-se com Charles Misner e outros colegas, num projeto de geometrização da física (‘Geometrodinâmica’) que se identifica com a perspectiva de Albert Einstein, e sua teoria da gravitação…a ‘Teoria da Relatividade Geral’.
John Wheeler é conhecido por ter sido o físico que definiu o termo ‘buraco negro‘ para denotar o estágio final de colapso de estrelas com massa superior a 3 ‘massas solares’, do qual nem mesmo a luz pode escapar. – Antes de Wheeler ter criado a designação dizia-se que o colapso gravitacional de uma estrela dava origem, ao que se denominava ‘estrelas congeladas‘ (“frozen stars”) expressão especialmente popular, entre a comunidade dos físicos soviéticos, liderados por Yakov Zeldovich. – Inicialmente, Wheeler não acreditava na possibilidade do ‘colapso gravitacional’ de uma estrela originar tais estranhos objetos: estrelas mortas com densidade tão grande… – que em seu centro…o espaço se encurvava infinitamente. Como nessas ‘singularidades’ as leis físicas são violadas, nada se conserva.
Após o colapso…apesar de toda massa desaparecer na singularidade, tanto o campo gravitacional, quanto a curvatura do espaçotempo… permanecem atuando indefinidamente. No caso mais simples de um ‘buraco negro’ com simetria esférica, após o colapso, fica um campo gravítico estático e eterno.
A princípio, Wheeler resistiu a esta conclusão, apresentada em 1939, por J. R. Oppenheimer. Aliás, a recusa de Wheeler em aceitar – nessa época, estas ideias… não é de surpreender…O próprio Einstein, nesse mesmo ano, escreveu um artigo tentando provar a ‘impossibilidade’ de uma estrela colapsar – ao ponto de atingir um raio igual ou inferior…ao dito… “raio de Schwarzschild“ (2Gm/c²) … que define a dimensão de um “buraco negro” de massa m. Mas, aí… por acaso — Einstein estava errado.
Mais tarde, em 1958…em uma conferência na Bélgica, Wheeler manteve forte discussão com Oppenheimer, por considerar que a ‘teoria do colapso’ não poderia estar certa, pois “não dá uma resposta aceitável” para o destino da matéria da estrela…Para ele, não era razoável que as leis da física conduzissem a uma singularidade, onde essas próprias leis eram violadas…Em suma, para Wheeler isso significaria que a aplicação da física levaria à sua autodestruição. – Outros grandes físicos teóricos, como A. Eddington e L. Landau, usaram esse mesmo raciocínio, ao recusar a ideia de um colapso gravitacional completo.
O despertar relativístico
John Wheeler começou sua vida científica como físico nuclear… tendo estudado com Niels Bohr em Copenhagen, Dinamarca. Quando Bohr chegou aos Estados Unidos em 1939 e lhe confidenciou que cientistas alemães tinham obtido a cisão dos átomos de urânio…Wheeler se dispôs, imediatamente, a trabalhar no assunto com Bohr… e, dentro de poucas semanas tinham arquitetado um esboço da teoria de como funcionava a fissão nuclear… – Nos anos seguintes trabalharia na construção das 1ªs bombas atômicas…na equipe de Oppenheimer.
É é só em 1952 que Wheeler começa a se voltar para a teoria da gravitação de Einstein, não muito popular nessa altura – pois a grande maioria dos físicos estava empenhada nas aplicações da Mecânica Quântica… à Física Atômica e Molecular, à Física Nuclear, e às teorias Quânticas de Campo… – Recorde-se que a teoria da Eletrodinâmica Quântica, por exemplo…tinha sido desenvolvida, ao final dos anos 40… pelo físicos Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger, e Richard Feynman – sendo que este último…antigo aluno de Wheeler.
Einstein e Wheeler em Princeton – 1954
Ao promover o estudo da ‘Relatividade Geral’, criada por Einstein em 1915, Wheeler terá um papel fundamental nos anos 60… — em pleno ressurgimento da teoria. Ainda nesse período, Dennis Sciama – Universidade de Cambridge, Hermann Bondi – em Londres… e Borisovich Zeeldovich – Moscou, também contribuiriam bastante para este propósito… Naturalmente, que tal renascimento se inspirou em grandes incrementos teóricos…iniciados nos anos 60, acompanhados de observações astronômicas.
O “Experimento Pound-Rebka” publicado em março de 1960… na “Physical Review Letters”, como “O Peso Aparente dos Fótons”, por exemplo, descreve a 1ª medida laboratorial bem sucedida da mudança frequencial da luz – por influência do campo gravitacional da Terra. Alguns meses mais tarde, no número de Junho/1960 da revista “Annals of Physics“, surge um artigo assinado pelo físico-matemático inglês Roger Penrose…intitulado “Tratamento Spinorial da Relatividade Geral”. – Embora se tratasse de um artigo com um formalismo matemático pesado, delineava uma ‘técnica de cálculo’ elegantíssima para resolver alguns problemas de “relatividade geral”… Este foi um dos primeiros passos no sentido de tornar mais simples…e compreensíveis – muitos dos morosos e complexos cálculos relativísticos.
‘Quasares’… abrindo horizontes
Ainda em 1960…têm início as observações levadas a cabo pelos astrônomos Thomas Mathews e Allan Sandage, com o telescópio de 200 polegadas do Monte Palomar, da fonte de rádio 3C48…Estavam interessados em estudar sua radiação visível emitida, e…com tal propósito, tiraram uma ‘chapa fotográfica’ da zona do céu no seu entorno. Esperavam encontrar um ‘enxame de galáxias’… com a localização da fonte de rádio, mas não foi isso que observaram… – A análise da chapa parecia indicar que o objeto afinal tinha dimensões de uma estrela, mas não era uma estrela vulgar…pelo menos, nada comparável a qualquer outra conhecida…Seu espectro tinha cores anormais, e apresentava grandes e rápidas variações de brilho. Era portanto, uma fonte de rádio que parecia do tipo “estelar” (apesar das estrelas normais não serem fontes intensas de rádio); mas que pelo tipo e variabilidade do seu espectro não parecia uma estrela. Daí…que fosse designada fonte de rádio “quase estelar” … ou, quasar (abreviando).
A descoberta dos quasares catapultou a relatividade geral imediatamente para a fronteira da astronomia… — Sendo que, a seguir… foram — encontrados objetos semelhantes, como o 3C273…Em 1963, Martin Schmidt do Observatório Monte Wilson descobriu que riscas de emissão espectrais do ‘3C273’ apresentavam um “deslocamento” de 16%, no sentido dos maiores comprimentos de onda…
Posteriormente…para o 3C48, mediu-se um “deslocamento para vermelho” ainda maior, da ordem de 30%. Com efeito…os grandes deslocamentos para o vermelho dos espectros dos quasares, mostram que eles se afastam de nós com grandes velocidades; cerca de 30% da velocidade da luz – no caso do 3C48… – o que corresponde uma distância da ordem de 6 bilhões de anos-luz.
Estando os quasares tão distantes, seria de se esperar que fossem objetos com fraco brilho. Mas – pelo contrário – os quasares são objetos extremamente brilhantes – tanto na parte visível…como na de ondas de rádio do espectro. – Portanto, a sua luminosidade intrínseca deve ser enorme… O 3C48 é cerca de 100 vezes mais luminoso que a nossa galáxia. Qual a origem de uma fonte tão poderosa? Como se explicam suas rápidas variações de brilho?
À escala cósmica, a gravidade é a interação dominante, por isso é provável que a resposta esteja na existência de “campos gravitacionais” gigantescos, com concentrações da ordem de 100 milhões de massas solares confinadas a uma região de talvez 1 hora-luz (cerca do diâmetro da órbita de Júpiter).
‘Estrelas de neutrons’…e, enfim… ‘buracos negros’ “Um século depois, está mais claro do que nunca que a relatividade geral não apenas nos deu essas feras – mas também a estrutura e as ferramentas para entendê-las…junto com todas outras bizarrices cósmicas ao nosso redor. E, à medida que o cosmos se abriu para nós, a mente humana se expandiu para encontrá-lo. – O saber sobre a relatividade geral, desafia nossa experiência…As previsões e consequências da teoria violam nossa intuição sobre o Universo… – em um ‘reflexo maravilhoso‘… da capacidade da mente humana de transcender a experiência. Dessa forma… podemos pensar em coisas que são tão contra-intuitivas… e enfim… – dar um sentido a elas.” (Tommaso Treu, astrophysicist of UCLA)
A descoberta dos quasares deu origem à criação de uma nova área da física. Em Dezembro de 1963 – em Dallas / EUA… teve lugar o 1º simpósio sobre esta nova disciplina designada Astrofísica Relativística…Para esta conferência foram convidados astrônomos, físicos e matemáticos, de modo a proporcionar um debate amplo, capaz de reunir as experiências e conhecimentos diversificados destas 3 áreas do saber. (Um dos temas aí discutidos, foi a chamada ‘solução de Kerr‘… que hoje sabemos descrever um buraco negro em rotação.)
No entanto, a comunidade científica só veio a aceitar a ideia de ‘buraco negro‘ associado ao “colapso gravitacional”…depois de uma outra descoberta…No final de 1967, os astrônomos Jocelyn Bell, e Anthony Hewish descobriram um novo tipo de estrela — a qual chamariam pulsar, pela emissão regular de impulsos de ondas…em “radiofrequência“… – Se trata de estrelas muito compactas — cujos diâmetros se limitam a poucas dezenas de quilômetros, com uma rotação característica em torno de seu eixo de muitas vezes por segundo. – Sua compactação é tão grande…que destrói seus próprios átomos…os reduzindo afinal, a um “ultra-viscoso”… – “plasma de neutrons“.
“Estrelas de neutrons” parecem estar na iminência de uma catástrofe espetacular… A gravidade à sua superfície é tão grande… — que se tal estrela acumular mais de 3 massas solares, será incapaz de encontrar uma estrutura de equilíbrio…colapsando numa fração de segundo…A explicação para este intrigante fenômeno reside na violenta curvatura do espaço…que traduz a crescente intensidade da gravidade – numa estrela em colapso… À medida que o raio da estrela se reduz, imediatamente a curvatura do espaço à superfície da estrela se torna suficientemente forte para encurvar os raios luminosos … retendo-os em torno da estrela. Quando nem a própria luz consegue escapar desse campo gravítico, ela se transforma num verdadeiro… – “buraco negro“… – vagando “solto” no espaço.
‘Gran Finale’
Interessante constatar que é precisamente em 1967… que Wheeler assume definitivamente o conceito de buraco negro, com tudo o que isso implica…Embora pelo menos desde 1965, que já trabalhava nas consequências do “colapso gravitacional“, nos trabalhos desenvolvidos com Kip Thorne, B. Harrison… e, M. Wakano.
Terminamos esta homenagem à memória deste grande físico…lembrando do livro, considerado por muitos… – como a…’Bíblia’ dos relativistas.
“Gravitation”, escrito em colaboração com 2 dos seus antigos alunos… Charles Misner, e Kip Thorne… em 1973, é sem dúvida um dos livros de maior influência na formação dos relativistas nos últimos 35 anos… — e, “A Journey into Gravity and Spacetime” de 1990, o grande livro didático, que o grande público da língua portuguesa ainda aguarda (urgentemente) uma boa tradução. ## Paulo Crawford (Universidade de Lisboa /2008).
fonte p/consulta: ‘Wheeler e a física no Brasil’ ********************************************************************************** O espírito inquieto de John Wheeler se credita a uma profunda reflexão sobre o papel do observador na mecânica quântica – incluindo aí, a ideia de uma “criação coevolutiva” do universo e da consciência…(às vezes encontrada em suas referências aos escritos da filosofia hindu); e também na (premonitória) especulação filosófica de situar na ‘teoria da informação‘ as raízes das leis físico (quânticas)…Mesmo atormentado pelo desafio da mente em compreender toda complexidade do universo – crê na capacidade humana para descobrir seus segredos, de um modo participativo… pela informação. (j. wheeler) **********************************************************************************
Buracos negros são “GRAVASTAR” (Agostinho Rosa /2002)
De autoria dos físicos Emil Mottola, e Pawel Mazur, uma nova teoria afirma que ‘buracos negros’ não são buracos, mas…‘bolhas negras’… A explicação é que, quando a estrela morre…ela “cai sobre si mesma” … somente até certo ponto. Daí em diante, a intensa ‘força gravitacional’ transforma a matéria estelar, num estado impossível de se testar aqui na Terra – o qual porém, por testes recentes…é comparado ao ‘condensado Bose-Einstein’.
O ‘condensado de Bose-Einstein‘ é um estado atingido quando a matéria se aproxima do zero absoluto. Neste estado, o movimento das partículas subatômicas…elétrons, prótons, etc. – simplesmente cessa. Sem movimento… todos átomos passam então a ter a mesma energia, ou estado quântico, formando assim…uma espécie de “super-átomo“ original. Este certo ponto…até onde a estrela cai sobre si mesma – coincide com o horizonte de eventos do buraco-negro. Neste caso o “horizonte” não seria uma área no entorno do buraco, mas a própria superfície desse exótico “corpo celeste“. E, o mais interessante…é que a formação de algo como um…’átomo único’…ou ‘superátomo’… – dá origem a uma bolha de superfície finíssima, fria e totalmente negra. – E, virtualmente… ‘indestrutível‘.
GRAVASTAR é o novo nome dado ao corpo celeste por Mottola e Mazur. A palavra é um acrônimo para … GRA (vitational)… VA (cuum)… STAR. *********************************************************************
Na boca de um “buraco negro”
Telescópios terrestres e espaciais têm confirmado a existência de “buracos negros“. Os mecanismos pelos quais estes ‘objetos‘ absorvem tudo aquilo que passa perto…tornaram-se menos misteriosos… a partir de um trabalho realizado no…”Instituto de Física” da UFRGS, onde Thaisa Bergmann, que coordenou o estudo relata um… “BN supermassivo” devorando matéria bem no centro da galáxia ‘NGC 1097’.
A equipe de Thaisa reconstituiu o que se passa no centro da galáxia espiral NGC 1097, a 60 milhões de anos-luz da Terra – e confirmou lá – a existência de um BN supermassivo, com massa equivalente a pelo menos 1 milhão de sóis – formado, provavelmente… pelo colapso de nuvens de gás, ou de aglomerados estelares, com milhões de estrelas. Já que um buraco negro não pode ser detetado diretamente (apenas por efeitos sobre objetos próximos)…foi centrado o foco na luz emitida pelo…”disco de acreção“… nuvem achatada em forma de espesso anel de plasma (prótons/elétrons) e hidrogênio…girando ao redor do BN. A partir dessas informações…a equipe visualizou os processos de nascimento, evolução e morte do disco de gás, ocupando uma área equivalente ao dobro da órbita da Terra em torno do Sol.
Cálculos iniciais indicam que a cada segundo o super buraco negro engole cerca de 100 quatrilhões de toneladas de gás do disco por dia, ou 2 Terras.
Ao que tudo indica, o disco de gás surgiu quando uma ‘estrela’ chegou muito perto do buraco negro…e foi capturada por ele. A estrela, a seguir, foi desmanchada pela ação da “força de maré” do buraco negro. Essa força age com intensidade diferente nas várias partes de um corpo… atraindo o lado próximo – com maior intensidade do que – todo o conteúdo…mais distante.
Desmanchada a estrela — restou uma nuvem de gás … que formou um disco de acreção…ao redor do buraco negro.
Em 1991, quando começou a investigar a emissão de luz do núcleo dessa galáxia… Thaisa encontrou o quadro típico de uma captura de estrela relativamente recente. Ela observou a emissão da região externa do disco formado a partir da estrela capturada na linha Hα – a linha de emissão de energia mais intensa do átomo de hidrogênio… – e constatou que o gás girava a 10 mil quilômetros por segundo (km/s). Então, concluiu…essa velocidade do gás só poderia ocorrer em um disco em torno a um buraco negro que tivesse a massa de 1 milhão de sóis… – Nascia assim…a hipótese que seria confirmada nos dez anos seguintes.
Thaisa mostrou que ocorre um aquecimento das regiões centrais do disco, que começam a emitir radiação de alta energia, como raios X – num processo que dura pelo menos alguns séculos. A parte interna do disco é mais quente que as periféricas devido à fricção entre as ‘partículas atômicas’ … a temperatura interna pode chegar a milhões de graus Celsius (ºC), enquanto na periferia, de onde saem emissões de luz na linha Hα, é de cerca de 10 mil ºC.
O interior do disco se expande devido à alta temperatura…e cria uma estrutura toroidal, em forma de rosca … em volta do horizonte de eventos… – superfície imaginária … que define a fronteira além da qual – nem a luz escapa. Essa estrutura emite fótons que, ao bater nas partes externas do disco, excitam o hidrogênio e produzem a emissão do tipo H-alfa – observada desde 1991… A matéria do disco: prótons/elétrons – parte interna; átomos de hidrogênio na parte externa; se divide ao chegar nesse limite, com metade engolida pelo BN, e metade expelida sob a forma de jatos, cuja emissão é captada em “ondas de rádio”…O disco assim se desfaz, num tempo estimado… acima de mil anos.
Esse fenômeno ocorre na galáxia, em média…a cada 10 mil anos; sendo esta a primeira vez que presenciamos… tão nitidamente, a captura de matéria dentro da…”região central”…de uma galáxia.
A conversão de matéria em energia…por meio da absorção por um buraco negro…tem uma eficiência muito maior do que as reações nucleares nas estrelas… – 10% da massa engolida é convertida em energia – enquanto em reações nucleares, o limite é 0,7%. Essa conversão pode explicar a grande emissão de energia em núcleos galáticos ativos…como a NGC 1097. Mas esse não é o fim da história…À medida que o buraco negro se alimenta de mais e mais matéria, amplia-se o horizonte de eventos, cujo raio mede hoje, cerca de 3 milhões de kms, ou 2 centésimos da distância entre Terra e Sol. Nesse espaço há uma massa equivalente a 1 milhão de sóis, que Thaisa havia calculado em 1997. Capturando estrelas individuais, o BN poderia até mesmo dobrar de tamanho…mas muito lentamente – daqui a 1 bilhão de anos.
A definição do processo de emissão de luz do disco da NGC 1097 foi o “sucesso” da equipe. Eles converteram o comprimento de onda da luz em velocidade do gás — construindo um gráfico com uma linha de 2 picos –- um para a velocidade máxima de aproximação da luz em relação à Terra, outro para a máxima de afastamento. Tecnicamente é o perfil de ‘pico duplo’ da linha de emissão H-alfa, também chamado de “assinatura cinemática” do disco, demonstra a existência do…”disco de acreção“… – e das transformações por que passa.
Thaisa consegue ver a emissão de ‘H-alfa’ que chega da parte mais externa e fria do disco…Ao longo dos anos, entretanto, ela percebeu a emissão migrar…para regiões girando…a velocidades cada vez maiores.
Como o disco apresenta um movimento kepleriano (assim como os planetas), as regiões mais internas… – e próximas ao “Buraco Negro” central – movem-se em velocidade maior… do que a das bordas.
O deslocamento do foco de emissão de luz ocorre porque… — de acordo com a perda de energia… — a parte interna esfria — de modo que…a radiação já não é tão intensa atingindo distâncias — cada vez menores.
Em 1991, a luz emitida pelas partes mais externas do disco tinha uma velocidade de 3 mil km/s… – só um centésimo da velocidade da luz. – Já no início deste ano, como a fonte de fótons foi ficando mais fraca, e atingiu menores distâncias no disco…foi possível registrar a luz que vinha de partes mais internas…com velocidade de 6 mil km/s. Estima-se que na borda interna do disco emissor de Hα… a velocidade das partículas chegue a 15 mil km/s, enquanto à beira do buraco negro as partículas girem a 300 mil km/s (velocidade da luz).
O fato de termos encontrado velocidades tão altas – é sinal da presença de uma estrutura supermassiva no centro da galáxia. As velocidades máximas registradas para os discos de gás em rotação no centro de galáxias sem buracos negros, são de apenas 250 a 300 km/s. Velocidades de rotação da ordem das detetadas, de milhares de quilômetros por segundo, só podem ser produzidas pela interação com milhões… — ou bilhões … de massas solares concentradas em um lugar muito pequeno…ou seja, um buraco negro supermassivo.
Com 1 milhão de massas solares, o buraco negro da NGC 1097 impressiona, mas não é dos maiores já encontrados…Físicos que trabalham com o ‘Chandra‘…telescópio de raios X da NASA relataram a descoberta de uma estrutura bem mais massiva…um buraco negro com cerca de 10 bilhões de massas solares no centro de quasares (‘galáxias em formação’) mais distantes já encontrados … a 13 bilhões de anos-luz da Terra. – Acredita-se que estes ‘BNs’ supermassivos tenham se formado junto com suas próprias galáxias “hospedeiras”, pois a massa estimada para eles… – pelas observações do ‘Hubble’… – é proporcional aos ‘bojos’ (região esférica central) de suas galáxias…Contudo, ainda não há indícios de um “disco de acreção” no centro da Via-Láctea. – Talvez não exista suficiente matéria lá sendo engolida pelo buraco negro central para formar um disco…como na NGC 1097. (Rev.Fapesp /2002) ************************************************************************************
Por dentro dos… ‘BN’s (junho/2010) “Singularidade é ‘algo‘…que se torna ‘alguma coisa‘…infinitamente grande”.
Produzidos a partir da implosão de estrelas massivas – “buracos negros” são poços tão profundos no tecido do ‘espaçotempo’, que nada, nem mesmo a luz pode deles escapar. O centro de um deles… — é o que os físicos chamam ‘singularidade‘; um ponto onde são esmagadas – enormes quantidades de matéria, para dentro…de reduzido ‘espaço’.
“Tecnicamente esse ‘algo’ de uma singularidade é a ‘curvatura do espaço’; ou a forte gravidade observada na presença de… ‘corpos massivos’ — como planetas e estrelas. Similar à forma como uma ‘cama elástica’ afunda… em torno à uma bola de boliche, objetos massivos encurvam o ‘espaçotempo’ em torno deles – e assim, quanto mais massivo, mais íngreme a curvatura será”; disse a física teórica Sabine Hossenfelder.
Conforme as teorias de Einstein, em nenhum lugar este efeito é maior, do que entorno a um “buraco negro”, cujo centro assumiria uma curvatura infinita. Como um buraco sem fundo na cama elástica, a gravidade se faz infinitamente maior…à medida que os objetos caem para o seu interior. Enquanto a matéria colapsa num buraco negro…sua densidade torna-se infinita – para que possa caber em um ponto – que, de acordo com as equações, é tão pequeno que não tem dimensões… Sobre isso, alguns cientistas têm-se perguntado se as equações teóricas que descrevem os BNs estão corretas…ou seja…se eles realmente existem…Ninguém pode afirmar que essa ‘singularidade’ descreva uma ‘realidade física’. Mas…para a maioria dos físicos — teorizada por equações — na realidade, ela não existe.
Se, por acaso, existisse na vida real — isso então significaria que a “densidade de energia“ poderia ser infinitamente grande em um ponto – exatamente, no centro do buraco negro. No entanto, ainda sem uma completa teoria quântica da gravidade … ninguém pode ter certeza sobre essa questão… – pois, até agora… é impossível observar dentro dos BNs. ***********************************************************************************
Curiosidades sobre BNs
- O conceito atual de buraco negro vem de equações gerais da teoria da relatividade de Einstein (1916). O termo foi batizado em 1967 pelo físico teórico John Wheeler.
- Buracos negros não “sugam”… Sucção é causada por puxar alguma coisa para um vácuo, o que o massivo buraco negro, definitivamente não é; em vez disso, objetos caem para dentro deles.
- O primeiro objeto considerado um buracos negro foi Cygnus X-1. Foguetes carregando contadores Geiger detetaram 8 fontes de raios X. Em 1971, radioemissões de Cygnus X-1 foram detetadas… o identificando – a princípio – como um buraco negro (estelar).
- Micro buracos negros podem ter se formado logo após o Big Bang… – A incrivelmente rápida expansão do espaço pode ter espremido algumas regiões em pequenos buracos negros, com massa menor que o sol.
- Os astrônomos estimam a existência de, entre 10 milhões a 1 bilhão de BNs estelares, com massas… cerca de 3 vezes a do Sol — na Via Láctea.
- O menor buraco negro descoberto até hoje tem um raio de cerca de 15 km. Um buraco negro estelar médio..com cerca de 10 massas solares, tem raio de 30 km, enquanto um buraco negro grande, pode ter raio de até 300 km.
- Os jatos emitidos pelos quasares se estendem – de cada lado, até cerca de várias centenas de anos-luz de distância (do BN).
- Segundo o modelo clássico (1963) de Kerr – o buraco negro pode ser definido apenas por sua massa e momento angular (sem carga, ou cabelo).
- A entropia (de acordo com Hawking e Bekenstein) é uma característica dos BNs — sendo proporcional à área de seu horizonte de eventos, dividida pela área de Planck.
- Da atmosfera terrestre absorver raios X … só “vemos” BNs por telescópios espaciais.
Os círculos vermelhos na imagem do Observatório de Raios-X Chandra identificam um grupo de dezenas de buracos negros membros de sistemas binários. Com massa de 5 a 30 vezes a massa solar, se aglomeram num raio de cerca de 3 anos-luz ao redor do centro da Via Láctea, onde vive o buraco negro supermassivo Sagittarius A* (Sgr A*). Os círculos amarelos indicam fontes de raios-X que seriam estrelas de neutrons, ou anãs brancas em sistemas binários. BNs apenas são visíveis, como parte de um sistema binário, gerando raios-X ao agregar material da estrela companheira.
BNs…Os vários tipos (e tamanhos)
a) Buracos negros estelares
Quando uma estrela queima até o último de seu combustível … ela pode entrar em colapso. Para estrelas menores, até cerca de 3 massas solares, o novo núcleo será uma estrela de neutrons… ou anã branca.
Mas quando uma estrela maior entra em colapso, ela continua caindo sobre si, até enfim, produzir um buraco negro estelar.
Buracos negros formados pelo colapso de ‘estrelas individuais’ — são relativamente pequenos… – no entanto… incrivelmente densos. – Mais de 3 mais ‘massas solares’ são reduzidas ao tamanho médio de uma cidade – com enorme força gravitacional, atraindo objetos…ao seu redor. — Assim, BNs …consomem gás e poeira da galáxia em torno deles … crescendo em tamanho.
b) Buracos negros intermediários
Físicos pensavam que os buracos negros só existissem em tamanhos pequenos ou grandes; porém, pesquisas recentes têm revelado a possibilidade dos… BNs intermediários. — Estes poderiam se formar… por exemplo… quando estrelas em um aglomerado colidissem numa reação em cadeia. Vários deles … contudo, ao se formarem numa mesma região, poderiam, eventualmente, se juntar no centro de uma galáxia, se tornando um “BN supermassivo“.
c) Buracos negros supermassivos
Na verdade, são os pequenos “buracos negros”…que povoam o universo, mas os supermassivos, dominam. ‘Buracos negros supermassivos‘ … são milhões, ou até bilhões de vezes mais massivos que o nosso Sol…mesmo com um raio semelhante ao de uma ‘estrela padrão’.
É bem provável que se encontrem buracos negros supermassivos no centro de todos tipos de ‘galáxias’, incluindo nossa Via Láctea; como resultado da ‘fusão’…de centenas, ou até milhares de pequenos BNs.
Grandes nuvens de gás ‘auto-colapsantes‘…também poderiam ser as responsáveis pela criação dos BNs supermassivos nos centros galáticos. Uma 3ª opção, seria o colapso de um ‘aglomerado estelar‘ – grupo de estrelas, em que todas colapsem juntas. Ainda não se sabe, ao certo, como nascem esses superBNs, mas uma vez formados, devem crescer facilmente, a partir da poeira e gás ao redor…material abundante nos centros galáticos.
Pelas imagens longínquas em raios X do ‘Telescópio Chandra‘ encontrou-se ‘indícios diretos’ da abundância de ‘BNs’ supermassivos no ‘universo primordial’. Ficou assim confirmado que…boa parte das galáxias primordiais, mais remotas, contém tais BNs, crescendo muito rapidamente…‘co-evoluindo‘ dentro das ‘protogaláxias hospedeiras’. Esse ‘crescimento acelerado’ significa que os buracos negros detetados pelo Chandra são versões menos extremas dos ‘quasares‘. As fontes de raios X agora detetadas são aproximadamente 100 vezes mais fracas – tendo estes BNs…massa mil vezes menor.
Extrapolando tais resultados… a partir da pequena área observada para o céu inteiro, haveria pelo menos 30 milhões de BNs supermassivos no início do Universo… Isto é 10 mil vezes superior ao nº de quasares até agora estimado para o “universo primordial”.
Esta concepção artística mostra os arredores do buraco negro supermassivo que se encontra no coração da galáxia ativa NGC 3783, a partir de observações da poeira acima e abaixo do disco de acreção – realizadas pelo ‘Very Large Telescope’. publicação: “Astrophysical Journal” 20/06/2013 [ESO/M. Kornmesser]
São BNs supermassivos… mergulhados no centro de grandes galáxias, envoltos por um ambiente caótico…formado por espessa nuvem de poeira e gás no seu entorno…(“disco de acreção“) … o qual bloquearia suas ‘emissões energéticas‘. Mas, algumas vezes… quando “matéria gasosa” é atraída pelo ‘buraco negro‘… ricocheteia para fora do “horizonte de eventos” – sendo arremessada, em vez de puxada ao centro. ‘Jatos brilhantes‘ com velocidades próximas à da luz são então observados a grandes distâncias, embora o ‘superBN’ continue invisível.
e) Micro-buracos negros primordiais (teóricos) Não pode haver buraco negro menor que este, segundo as “equações da gravidade”… – Pesa muitíssimo mais que uma ‘partícula elementar’ – com um tamanho muitíssimo menor.
O colapso estelar não é a única maneira de se criar BNs (ao menos teoricamente). No início dos anos 70… Stephen Hawking – da Cambridge University… e Bernard Carr investigaram um mecanismo para gerar “BNs primordiais” no ‘universo primitivo’.
À medida que o espaço se expande, a densidade média de matéria diminui. Foi, portanto, muito maior no passado – até a ponto de exceder os níveis nucleares, durante o primeiro microssegundo após o ‘Big Bang’… As leis conhecidas da física permitem uma densidade de matéria de até 10e97 kg /metro cúbico (‘densidade de Planck’) segundo a qual, a força da ‘gravidade’ seria tanta que ‘flutuações quânticas’ romperiam o ‘espaçotempo’, criando BNs de apenas 10e-³5 metros (comprimento de Planck)…com massa de 10e-8 kg (massa de Planck). – À medida que a densidade cósmica diminuía, se formavam buracos negros primordiais cada vez mais pesados. Qualquer um pesando 10e¹² kilogramas seria menor que um próton. Porém…além dessa massa, os BNs teriam tamanhos próprios de objetos que nos são familiares. — Os formados à época que a densidade cósmica coincidia com a densidade nuclear – teriam massa comparável ao Sol – sendo portanto “macroscópicos”.
‘Horizonte de eventos’… ‘singularidade’… &… ‘Radiação Hawking’
O “horizonte de eventos” de um BN é o limite entorno de sua ‘garganta’, de onde a luz não pode mais escapar. A gravidade, no entanto… a atravessa constantemente. Por outro lado, na região interna do BN … – o ponto do espaçotempo onde se concentra toda sua massa… é sua ‘singularidade‘… – De acordo com a Física clássica nada pode escapar de um buraco negro. Contudo, as coisas mudam ligeiramente quando a mecânica quântica é adicionada na equação. Sob sua influência, para qualquer ‘partícula’ existe uma ‘antipartícula‘ com mesma massa, mas carga elétrica oposta. Ao se encontrarem…aniquilam-se mutuamente. Se um par partícula/antipartícula é criado à beira do ‘horizonte de eventos‘ de um BN…é possível que um deles neste seja absorvido – e o outro ejetado. O resultado é que o horizonte de eventos do buraco negro se reduz por…”decaimento” do BN… – processo que não está na mecânica clássica, e pelo qual suas equações ainda estão sendo apuradas. ***********************************************************************************
“Os mistérios de Cygnus X1” Para um BN de massa solar…a densidade se aproximaria dos 10e¹9 kg por metro cúbico; muito maior da que se dá em um núcleo atômico. – Essa é a maior densidade que se pode criar, por colapso gravitacional, em nosso universo atual. — Um corpo mais leve que o Sol resistiria ao colapso, pois a repulsão quântica entre partículas subatômicas o estabilizaria.
‘Buracos negros’ costumam se formar quando, ao final do seu ciclo de vida, estrelas de grande massa colapsam…explodindo em supernovas…Estes BNs relativamente pequenos, podem representar uma ‘semente’ para o desenvolvimento dos “buracos negros gigantes”, encontrados no centro das galáxias…que crescem absorvendo gás, estrelas…e outros BNs. Se pudéssemos comprimir o Sol até um raio de 3 km, uns 4 milionésimos de seu tamanho atual, o converteríamos num “buraco negro“. Para que a Terra tivesse o mesmo destino, teríamos que a comprimir em um raio de 9 mm… ou, 1 bilionésimo de seu tamanho atual.
Sendo incrivelmente massivos – graças à relação massa/gravidade – possuem uma “força gravitacional” extremamente poderosa. Em termos da ‘física clássica’, praticamente nada escapa deles, nem mesmo a luz. Porém, tal forte atração cria um problema de observação aos pesquisadores, que não podem vê-los, como veem estrelas, e outros objetos no espaço. Só podem defini-los indiretamente, pela radiação emitida da poeira e gás, por eles atraída.
Com uma estrela e um ‘buraco negro’ de massa estelar … o BN Cygnus X-1, descoberto em 1972… se encontra na constelação do Cisne… na Via Láctea. Em 3 artigos publicados na edição de dezembro da “Astrophysical Journal”, Mark Reid e Lijun Gou, do “Harvard-Smithsonian” e Jerry Orosz…da “San Diego University”, ao estudarem este “sistema binário” – relataram a visão mais profunda em um “bn“, até hoje.
Buracos negros estelares são menores e mais comum do que seus parentes supermassivos. Enquanto os maiores buracos negros tendem a ser encontrados nos centros galáticos – os ‘buracos negros de massa estelar’ estão espalhados por todos os lados… – Sendo que…na Via Láctea – apesar da provável existência de algumas centenas de milhões deles… apenas alguns – atualmente… estão sendo individualmente estudados. – Esforçando-se para uma melhor compreensão desses ‘BNs estelares‘…astrônomos miraram seus telescópios para o sistema duplo estelar Cygnus X1…pioneiro nesse tipo de descoberta. – O empenho valeu a pena…fornecendo um conhecimento mais detalhado sobre sua massa e rotação – além de sua distância relativa ao Sol… – ‘Informações‘ estas, que ajudarão na atualização da nossa noção sobre buracos negros…incluindo aí – a possibilidade de indícios sobre sua evolução.
Sendo a gravidade dos BNs tão forte…torna-se um desafio determinar suas principais informações: massa, rotação e carga elétrica. Porém, nenhum desses parâmetros poderia ser definido – até que medições precisas da distância de Cygnus X-1… fossem obtidas. Estimativas anteriores tinham calculado…entre 5.800 e 7.800 anos-luz. Mas, como disse Lijun Gou: “Se a estimativa da distância é tão grosseira – a ‘velocidade de rotação‘… – poderia ser qualquer uma”. – Portanto, antes que astrônomos pudessem começar suas medições, precisavam determinar… o quão longe se encontra o sistema.
Usando o ‘Grande Arranjo Baseline’… um sistema de radiotelescópios que vai desde o Havaí até as Ilhas Virgens, a equipe calculou a distância mais precisa de Cygnus X-1. Eles encontraram que o BN está…a cerca de 6.070 anos-luz do Sol. – Em seguida, chegaram à conclusão que o objeto estava se movendo muito lentamente através da Via Láctea… – a uns 15 Km/seg.
Os cientistas então…vasculharam por 2 décadas de dados do Observatório de Raios X Chandra, dos satélites RXTE e ASCA (também em raios X)…e medições em luz visível. Combinações desses dados lhes permitiram calcular que o ‘BN’ de Cygnus X-1 é quase 15 vezes mais massivo que o Sol…tornando-se assim, um dos maiores ‘buracos negros estelares’ da Via Láctea… – A partir daí então os astrônomos calcularam que o buraco negro gira mais de 800 vezes por segundo, à quase metade da velocidade da luz. – De acordo com Orosz, o seu rápido giro…combinado com sua lentidão através da galáxia, dá dicas sobre a sua origem…pois, segundo o cientista…“Saber que o buraco negro foi formado com rotação relativamente alta ajuda a restringir modelos de supernova – e/ /ou colapso estelar”. A alta velocidade de rotação provavelmente seria produto de sua formação. – Ao mesmo tempo, se Cygnus X-1 tivesse origem em uma explosão estelar tipo supernova, a força da explosão teria dado um ‘empurrão‘ que lhe proporcionaria uma viagem mais rápida…ao longo da Via Láctea. Um trabalho publicado há décadas, sugere que o BN foi produzido por uma ‘implosão estelar’ – após uma estrela massiva colapsar num processo de supernova…No entanto, o buraco negro Cygnus X-1 parece ter nascido de uma morte estelar relativamente tranquila. — Conforme explica Orosz:
“Neste caso não há o salto central, criador da grande onda de choque, que gera uma supernova. Assim, um colapso linear poderia ser um evento relativamente suave, como visto a grandes distâncias…Essa transição permitiria a Cygnus X-1 reter sua massa e energia… — o que não acontece com a maior parte dos…‘buracos negros estelares‘…durante suas mortes extremamente violentas”. ( ‘texto base’ Nov/2011) ******************************************************************************
Por dentro do Turbilhão (Paul Halpern)
A teoria da relatividade geral de Einstein previu “buracos negros“ (termo designado pelo físico John Wheeler na década de 60) como corpos tão densos, que causariam uma enorme deformação no ‘espaçotempo‘ à sua volta… criando um ‘poço gravitacional’ tão profundo, que qualquer objeto que nele caísse se pulverizaria no esquecimento. Fugir de um “BN” só seria possível estando fora do domínio de seu… – ‘horizonte de eventos‘.
Para os que nele penetrassem, espaço e tempo deixariam de existir, dando lugar a um ‘beco sem saída’ matemático… denominado “singularidade“.
Ao descrever a exótica natureza desses corpos celestes… – Wheeler identificou 3 atributos fundamentais…massa, carga, e momento angular. Mas…em termos termodinâmicos, uma questão se sobressaía. Embora ninguém possa afirmar, com absoluta certeza… que o Universo seja um ‘sistema fechado’, razoavelmente de acordo com a 2ª lei termodinâmica, pode-se esperar que sua quantidade total de desordem (entropia) não diminua… Todavia, segundo Wheeler…seria possível enganar esta 2 lei – canalizando o material desordenado para dentro de um “buraco negro”… Estes, assim… inverteriam o sentido termodinâmico, diminuindo a entropia total do Universo. A propósito, em 1972, o físico Jacob Bekenstein, em vez de contornar a termodinâmica…resolveu estendê-la – igualando a entropia de um BN à área de seu horizonte de eventos…Dessa forma, a soma total da entropia da matéria com a do buraco negro nunca reduziria…preservando-se portanto a 2ª lei termodinâmica.
Bekenstein demonstrou assim que a área do buraco negro serve como limite superior da maior quantidade de…”informação”…que este pode armazenar…a qual é inacessível, a tudo o que está do seu lado de fora.
Podemos então, pensar na ‘informação‘ como uma forma de codificar todos estados de todas partículas e forças, em um ‘conjunto mínimo de valores’…que possa descrever as propriedades de todas partículas sub-atômicas, dentro de um objeto; inclusive o modo como estas interagem umas com as outras. — À medida que o BN engole matéria, suas informações tornam-se indisponíveis e sua área se expande. Desse modo, acumulação e destruição da informação no BN se manifestam como “crescimento“. Por outro lado, ao aplicar mecânica quântica…Hawking deu uma nova solução ao problema (a famosa “radiação de Hawking”). – Por ela, o BN perderia massa gradualmente no processo de ‘tunelamento quântico’ das partículas/antipartículas virtuais do vácuo quântico.
O ‘princípio holográfico’ supõe que os exteriores das regiões espaciais de um ‘BN‘, ou do universo como um todo…incorporam a ‘informação‘ contida em seus interiores – ao codificá-la sobre sua ‘superfície espacial‘ (para os BNs…seu ‘horizonte de eventos‘). O conteúdo máximo de informação do BN portanto, é proporcional à sua área de superfície, e não ao seu volume. Este princípio aplicado à cosmologia, sugere que todas informações sobre o universo estão contidas no seu ‘horizonte observável‘… Como – por definição… é impossível ver mais longe que o observável, em certo sentido o espaço além do horizonte cosmológico…é como o interior de um ‘buraco negro’. (do livro “Fronteiras do Universo”) ***********************************************************************************
Os “cabelos” dos buracos negros são uma metáfora para conexões que o objeto estabeleceria com o espaço ao seu redor e com o Universo como um todo.
Buraco Negro (cabeludo)
Um buraco negro é um conceito simples…pelo menos…de acordo com a hipótese de Roy Kerr, que, em 1963, propôs um “modelo limpo“ do buraco negro…que é o atual paradigma teórico. Da teoria para a realidade – contudo, as coisas podem ser bem diferentes…Os buracos negros, por exemplo … podem ser muito mais “sujos” do que, até então…era comum de se acreditar.
De acordo com o ‘modelo tradicional’…buracos negros são definidos por apenas 2 grandezas: a massa e momento angular (a velocidade de rotação do buraco negro). Nesse modelo, assim que uma estrela de massa elevada implode…ao final do seu ciclo de vida, toda a sua memória é perdida para sempre. Tudo o que resta então, é um buraco negro “tranquilo“… – praticamente isento de qualquer outra ‘característica’… além evidentemente…da massa, e momento angular.
Porém, de acordo com um grupo de cientistas liderado por Thomas Sotiriou, da Escola Internacional de Estudos Avançados, na Itália, as coisas não são exatamente assim…“Os buracos negros, de acordo com nossos cálculos, podem ter cabelos”, explica ele… – ao se referir a uma declaração bem conhecida do físico John Wheeler, de que “buracos negros não têm cabelos” … considerando que nada poderia escapar de seu horizonte de eventos.
Embora o “modelo careca” de Kerr seja consistente com a Relatividade Geral… ele pode não ser compatível com algumas extensões conhecidas da teoria de Einstein, chamadas “teorias tensor-escalar”…e acrescenta Sotiriou… – “É por isso que fizemos uma série de novos cálculos que nos permitiram focar na matéria que normalmente envolve buracos negros realistas; aqueles observados na astrofísica. Esta matéria obriga o buraco negro puro e simples – da hipótese de Kerr, a desenvolver uma nova ‘carga’ (cabelo…como a chamamos) que o ancora à matéria circundante…e, provavelmente…a todo o universo”.
A confirmação experimental desta nova hipótese, pode vir a partir das observações com interferômetros, instrumentos que seriam capazes de registrar ‘ondas gravitacionais‘. E conclui o pesquisador…“Segundo nossos cálculos…o crescimento do cabelo em buracos negros vem acompanhado pela emissão de ondas gravitacionais específicas…No futuro, experimentos poderão desafiar o ‘modelo de Kerr’, ampliando nosso conhecimento das origens da gravidade — em termos de estudos sobre buracos negros”. texto base (2013) *********************************************************************************
Buraco Negro – iniciação teórica (abr/2019) “A matéria diz ao espaço como se curvar. Este diz à matéria como se mover”. (J. Wheeler)
Um buraco negro não é um “objeto”, tipo estrela ou planeta…Um buraco negro, na verdade…é um ‘evento’ no espaço-tempo, “distorção quadridimensional”…conceito criado por Herman Minkowski e adotado por Einstein, na formulação da sua teoria da ‘Relatividade’ (tanto a especial quanto a geral). O espaço-tempo de Minkowski combina as 3 dimensões do espaço…com uma 4ª dimensão adicional… — o tempo, assumindo a ideia de que o espaço…bem como o tempo, não são estágios passivos sobre os quais…os “eventos do universo” se desenrolam. — Esses eventos… em se tratando de ‘relatividade geral’, moldam o espaço – e…são por este influenciados.
Esta ideia… não é apenas central para a relatividade…é fundamental à noção do que realmente é um “buraco negro”, e o efeito que eles exercem no Universo, ao seu redor. E quando se trata de buracos negros… – este efeito é espetacular. – A analogia mais frequentemente usada…é a de colocar ‘objetos’…numa película de borracha esticada…quanto mais pesado o objeto…mais profunda a ‘cavidade’…e mais extrema a ‘curvatura‘, que ele cria.
Estrelas Negras e velocidades de escape
Embora o termo “buraco negro” tenha sido empregado apenas na década de 1960, as especulações sobre objetos com as propriedades agora a eles associadas surgiram muito mais cedo… – Mesmo antes do surgimento da ‘relatividade geral’ em 1916 – a gravidade newtoniana já havia criado especulações em torno da ideia de uma ‘estrela escura’ – um corpo tão denso que nem a luz teria a velocidade necessária para escapar de sua atração.
Para um corpo esférico de massa M e raio R, de acordo com as equações de Newton, um projétil de massa m precisaria de energia cinética igual à energia potencial gravitacional fornecida por GMm/R, onde G é a constante gravitacional de Newton. Essa energia terá que vir da velocidade de escape da partícula no momento do lançamento…Sendo assim:
Para um planeta do tipo Terra – em termos astronômicos, isso significa uma velocidade de escape mediana, já que a massa da Terra não é muito grande, além do que seu raio não é pequeno.
Mas essa ideia levou à se especular, se poderia haver um objeto tão massivo, com um raio tão pequeno… — que nem mesmo a… luz… tivesse velocidade suficiente…para conseguir escapar de seu efeito gravitacional. Tal estranho corpo deveria então…possuir um…Raio < 2GM/c².
John Michell e Pierre-Simon Laplace, independentemente, sugeriram, no século 18, que esse objeto capturaria efetivamente a luz… sendo portanto – totalmente escuro. Essas ideias, de fato, têm pouco a ver com os buracos negros… como concebidos na relatividade geral, mas os conceitos são muito similares…Isso nos leva a perguntar: O que foi na relatividade geral que primeiro sugeriu a existência do ‘buraco negro’?
Singularidade: raio de Schwarzschild; horizonte de eventos O ‘horizonte de eventos’ de um buraco negro é sua superfície de “mão única”…limite da distorção no espaço-tempo…do qual não há retorno.
Pouco depois de Einstein apresentar seus “tensores de campo“, que lançaram as bases para a relatividade geral (a teoria geométrica da gravidade), ele ficou surpreso quando em pouco tempo foi achada solução para essas equações incrivelmente complexas… O responsável por essa solução foi o astrofísico Karl Schwarzschild…que estava servindo na Frente Oriental da ‘Primeira Guerra Mundial‘…quando fez sua descoberta em 1916.
A ‘solução de Schwarzschild’…como assim ficou conhecida – descrevia a geometria do espaço-tempo de uma região vazia do espaço…Tinha duas características interessantes – duas singularidades…uma singularidade coordenada…e outra, gravitacional.
Ambas assumem importância no estudo de ‘buracos negros’.
A singularidade gravitacional em r = 0… situada no centro de um buraco negro, é uma verdadeira singularidade. É nesse ponto que todas as partículas que caem num buraco negro acabam indo… É também o ponto em que as equações do campo relativístico de Einstein colapsam…E talvez…até todas leis da física. As coordenadas da singularidade em r = Rs = 2GM/c² – referido como “raio de Schwarzschild” (Rs) – normalmente cai dentro do raio (r) de um corpo astronômico. Desse modo, tomando o Sol por exemplo, Rs ocorre em cerca de 3 km … em comparação com um raio total de 0,7 milhão de km.
Num buraco negro padrão…o ‘raio de Schwarzschild’ marca a localização do horizonte de eventos… divisão entre os eventos que podem ser vistos por observadores distantes, e aqueles que não mais serão vistos… Nenhum sinal pode passar por ele…assim como nenhuma luz pode dele escapar. Por outro lado…quando um corpo encolhe em um raio menor que o de Schwarzschild, ele se torna um…”buraco negro”. – Mas como será que isso pode acontecer?
Criando um BN: colapso gravitacional; limite de Chandrasekhar
Equações da “relatividade geral” oferecem a possibilidade de um corpo sofrer colapso gravitacional completo – encolhendo a um ponto de densidade quase infinita… e se tornar um buraco negro. Contudo, para que isso aconteça, uma série de limites deveria ser alcançada e excedida…Planetas, por exemplo, são incapazes de sofrer tal colapso gravitacional, pois a repulsão eletromagnética entre átomos é forte o suficiente para garantir estabilidade. Estrelas normais, como o Sol, também devem ser resistentes ao colapso gravitacional, em parte devido ao fato de se pensar no plasma do centro das estrelas — nessa faixa de massa como aproximadamente 10 vezes a densidade do chumbo. Mesmo não sendo esse o caso, a ‘pressão térmica’ resultante de processos nucleares junto à pressão de radiação … já bastaria para suportar o colapso de uma estrela de massa baixa a intermediária. Mas, e as estrelas mais antigas e mais evoluídas, nas quais as… “reações nucleares” cessaram — devido à falta de combustível?
Uma anã branca, uma estrela de nêutrons ou mesmo uma estranha estrela quark ainda são feitas de férmions. A pressão degenerativa de Pauli ajuda a segurar o remanescente estelar contra o colapso gravitacional, impedindo a formação de um BN. (CXC / M. Weiss)
Foi sugerido, desde a década de 1920, que estrelas pequenas e densas (anãs brancas) poderiam suportar colapsos, graças a um fenômeno da…’mecânica quântica’, chamado ‘degenerescência’, cuja pressão é creditada ao ‘princípio de exclusão‘ de Pauli — o qual afirma ser proibido a férmions (tipo elétron) ocupar mesmos…’estados quânticos‘. Isso então fez o físico Subrahmanyan Chandrasekhar… questionar se havia um limite superior, para tal proteção. Chandrasekhar propôs, em 1931, que acima de 1,4 massas solares uma anã branca… não seria mais protegida do ‘colapso gravitacional’ – pela ação de uma tal ‘pressão de degenerescência‘.
Além desse “limite de Chandrasekhar” a gravidade fica maior que o princípio de exclusão de Pauli poderia suportar — e o colapso gravitacional continua inabalável. Por outro lado, a descoberta em 1932 de ‘neutrons’ (partícula parceira do próton em núcleos atômicos) levou o teórico Lev Landau a especular sobre a possibilidade de ‘estrelas de neutrons’.
A parte externa dessas estrelas conteria núcleos ricos em neutrons; enquanto as seções internas seriam formadas de um fluido quântico composto principalmente de neutrons. Essas estrelas de neutrons também seriam protegidas do…‘colapso gravitacional‘…pela pressão da degenerescência eletrônica…desta vez fornecida por esse fluido de neutrons. Além disso, a maior massa de neutron… em comparação ao elétron – permitiria que as estrelas do neutron atingissem uma densidade maior … antes de sofrer colapso. – Para colocar isso em evidência…seria de se esperar que uma anã branca com a massa do Sol tivesse um milionésimo do volume da nossa estrela… dando a ele um raio de 5000 km; aproximadamente igual ao da Terra. — Uma estrela de neutrons de massa semelhante, porém…teria um raio de cerca de 20 km; aproximadamente o tamanho de uma cidade.
Em 1939…Robert Oppenheimer havia calculado que o limite de massa para estrelas de neutrons seria aproximadamente 3 vezes a massa do Sol. Acima desse limite, o colapso gravitacional venceria de novo. — Ele também usou a relatividade geral para descrever como esse colapso parece para um observador distante. Ele consideraria que o colapso levaria um tempo infinitamente longo…num processo parecendo desacelerar/congelar à medida que a superfície da estrela é reduzida … em direção ao raio de Schwarzschild. Porém…um observador caindo nessa superfície não notaria nada. – A passagem de Rs pareceria parte natural da queda…para ele – apesar de marcar o ponto de não retorno.
Tipos de buraco negro – Kerr – efeito de arrasto Equações de campo da “relatividade geral”, também nos permitem categorizar esses…”eventos do espaço-tempo”.
“Buracos negros” têm relativamente poucas – qualidades independentes. De fato…eles só têm 3 propriedades independentes mensuráveis – quais sejam: momento angular, carga elétrica e massa. Como todos têm massa, só existem 4 tipos diferentes de buracos negros, com base nessas qualidades…com métricas próprias.
Como a maioria dos buracos negros é considerada rotacional e sem carga, ao considerar a composição de um buraco negro, vale a pena examinar os buracos negros de Kerr…E aí, o que surge de ‘matematicamente interessante‘ é que os termos no…”elemento de linha” sugerem que o ‘momento angular‘ de um buraco negro arrasta o espaçotempo junto com ele…Assim, qualquer matéria que entre nesta região é violentamente arrastada. Tal efeito de arrasto do espaço-tempo pode ser bem explicado…pelo emprego de um ‘cone de luz’.
Longe do buraco negro, a luz é livre para viajar com a mesma facilidade em qualquer direção. – Os “cones de luz” aqui têm uma aparência tradicionalmente simétrica que representa isso. Em direção ao ‘limite estático‘…eles começam a inclinar-se para a singularidade, no sentido de rotação, e estreitando-se. O limite estático representa o ponto em que a luz não está mais livre para viajar em qualquer direção. Deve ser em uma direção favorável à rotação do ‘buraco negro’. – Como nenhuma partícula pode ficar parada neste ponto…daí o nome ‘limite estático’. O efeito de arrasto é tão forte, que nem a luz consegue resistir. – Os sinais podem escapar dessa região, pois ainda não é o ‘horizonte de eventos’, mas só podem fazê-lo viajando na direção da rotação.
É interessante notar que o físico Roger Penrose sugere que, partículas que entram no limite estático, e se decompõem em 2 partículas separadas, podem resultar em perda de energia do buraco negro, no que é conhecido como “processo Penrose“. Em suma, o processo representa um decréscimo no momento angular do BN, resultado de uma transferência de energia – e a diferença de momento, corresponde à energia perdida.
O mais surpreendente sobre tudo isso, é que todo esse conhecimento veio até nós, antes mesmo que soubéssemos que os buracos negros existiam…Essas revelações vieram puramente da matemática da relatividade geral. Obviamente isso também sugere muito mais ainda por compreender sobre os “buracos negros”. (texto base) **************************(texto complementar)******************************
Supertelescópio pronto para tirar 1ª foto de um buraco negro (fev/2017) O ‘EHT’ tem como objetivo inicial…chegar à precisão de 50 microarco de segundo.
Astrônomos acreditam estar prestes a obter sua primeira imagem de um buraco negro. Para isso construíram um telescópio virtual – do tamanho da Terra – unindo ‘radiotelescópios’ dos EUA a Polo Sul, Havaí…Europa e América do Sul… – Há um grande otimismo de que as observações – a se realizar de 5 a 14 de abril, por fim revelem — a tão aguardada imagem, que comprovaria definitivamente, a existência desses… “corpos celestes”.
Sem nunca ter visto um ‘buraco negro’…astrônomos apenas fazem uma ideia do que esperam ver. Simulações com base nas equações de Einstein podem prever um ‘anel brilhante’ no entorno de uma ‘forma escura’. A luz assim imaginada, seria produzida por partículas de gás e poeira…aceleradas a velocidades relativísticas…e pouco antes de desaparecer no buraco, destruídas…A ‘área escura’…impedindo se ver as estrelas, por detrás — seria… justamente… a sombra do buraco — lançada nesse…”turbilhão”.
Segundo esta teoria, há uma relação entre os dois extremos de radiação vindo da região ao redor dos buracos negros maciços: os raios X viriam de materiais muito quentes…próximos ao buraco negro – e a luz infravermelha viria de materiais bem mais distantes do BN. (texto)
Se há falhas nas ideias de Einstein (e muito se suspeita de certas explicações mais complexas da gravidade)…não parece haver lugar melhor, do que um ‘buraco negro’ para que tais limites sejam expostos. Todavia, talvez só em 2018, já com os dados analisados…a equipe divulgue a primeira “imagem real” de um “BN”. O truque do EHT é a…“Interferometria de Longa Linha de Base” (VLBI), conjugando radiotelescópios em vários pontos da Terra…em uma poderosa “rede virtual” – capaz de alcançar um nível de ‘resolução’ – dessa forma… tão extraordinário.
Ao longo dos anos cada vez mais instalações de radioastronomia foram acrescentadas ao projeto. A última a ser incluída foi o Observatório ALMA [Atacama Large Millimeter(sub) Array], no Chile. Inaugurado em 2013…no Deserto do Atacama, o observatório abriga 66 antenas de 7 metros de diâmetro cada … que também podem ser movidas para ampliar a resolução. Só o ALMA aumentou a sensibilidade do EHT por um fator de 10. (texto base) ***********************************************************************************
1ª foto de um buraco negro…dia histórico para a ciência (abr/2019) Nesta foto, vemos o “buraco negro”…que fica no centro da galáxia M87…a 55 milhões de anos-luz da Terra…com a massa de 6,5 bilhões de massas solares.
Pela primeira vez na história, imagem de um buraco negro é divulgada (Foto: Event Horizon)
O dia 10 de abril de 2019 … tão cedo será esquecido para a ‘ciência mundial’. Pela primeira vez, foi possível observar a foto de um “buraco negro“. – Os astrônomos ainda não tinham conseguido captar sua imagem, então apenas conhecida por ilustrações… através de concepções artísticas…ou simulações.
Segundo Sheperd Doeleman, diretor do EHT: “Se imersos numa região brilhante, como um disco de gás incandescente – esperamos que um buraco negro crie uma região escura semelhante a uma sombra – algo previsto pela “Relatividade Geral” de Einstein – e que nunca havia sido observado antes. Esta sombra, causada pela curvatura gravitacional…e captura de luz pelo horizonte de eventos, revela muito sobre a sua natureza – e nos permitiu avaliar a massa do ‘buraco negro’ da M87″.
A sombra de um buraco negro é o mais próximo que dele se pode fotografar. E o horizonte de eventos do objeto em questão…é cerca de 2,5 vezes menor do que a sombra que ele projeta, medindo pouco menos de 40 bilhões de km de diâmetro. Quanto maior o buraco negro…maior sua sombra — e…graças à enorme massa e proximidade relativa, a equipe usou o buraco negro da galáxia M87 … como alvo perfeito para o projeto. Usando a técnica ‘VLBI‘…as instalações do telescópio ao redor do mundo foram sincronizadas — para formar o gigante telescópio virtual, explorando a rotação do nosso planeta…e permitir uma resolução angular de 20 microssegundos de arco, capaz de ler um jornal de New York numa rua em Paris.
Monika Moscibrodzka da “Radboud University” explicou o que aprenderam ao longo de 4 dias de observação, em que o anel não mudou de tamanho e não foi embora…Para ela: “Isso significa, provavelmente, ser um objeto permanente. — A mudança na luz do anel, mais brilhante na frente…indica uma rotação. – A imagem ainda não está bem definida para medir esta rotação, mas sabemos que ela ocorre – no sentido horário”. (texto base)
Questões Cosmológicas 
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