Introdução

Você já pode ter visto algum programa de astronomia na televisao ou lido algum artigo de revista falando sobre buracos negros. A compreensão moderna do buraco negro é baseada na Teoria Geral da Relatividade (1915) de Einstein e mexe com a imaginação de muitas pessoas.

Imagem cedida pela NASA/Space Telescope Science Institute (artista J. Gitlin) Concepção artística da área próxima a um buraco negro no centro da galáxia NGC 4261

O que são os buracos negros? Eles realmente existem? Como podemos encontrá-los? Neste artigo, examinaremos os buracos negros e as respostas para todas essas perguntas.

Se você leu Como funcionam as estrelas, deve saber que uma estrela é um imenso e incrível reator de fusão. Pelo fato de as estrelas serem imensas e feitas de gás, existe um campo gravitacional intenso que tenta constantemente fazê-las entrar em colapso. As reações de fusão que ocorrem no núcleo são como uma gigantesca bomba de fusão que tenta explodir a estrela. O equilíbrio entre as forças gravitacionais e as forças explosivas define o tamanho da estrela. Quando a estrela morre, a fusão nuclear é interrompida, pois o combustível para essas reações é consumido. Ao mesmo tempo, a gravidade da estrela atrai a matéria para o interior e comprime o núcleo. À medida que o núcleo é comprimido, este se aquece e cria uma explosão, arremessando para o espaço a matéria e a radiação. O que fica é o núcleo altamente comprimido e extremamente maciço. A gravidade do núcleo é tão forte que nem a luz consegue escapar.

Esse objeto literalmente desaparece da visão. Como a gravidade do núcleo é muito intensa, ele se afunda na estrutura do espaço-tempo, criando nele um buraco. Esse objeto é chamado de buraco negro.

Imagem cedida pela NASA Concepção artística de um buraco negro: as setas mostram o trajeto dos objetos para dentro e ao redor da abertura do buraco negro

O núcleo se transforma na parte central do buraco negro, chamada de singularidade gravitacional. A abertura do buraco é chamada de horizonte de eventos.

Você pode pensar no horizonte de eventos como a abertura do buraco negro. Assim que alguma coisa passa por ele, desaparece para sempre. Uma vez dentro do horizonte de eventos, todos os "eventos" (pontos no espaço-tempo) param e nada, nem mesmo a luz, pode escapar. O raio do horizonte de eventos é chamado de raio de Schwarzschild, assim chamado em homenagem ao astrônomo Karl Schwarzschild, cujo trabalho levou à teoria dos buracos negros.

Como detectamos os buracos negros?

Embora não possamos ver os buracos negros, podemos detectar ou adivinhar a presença de um, medindo seus efeitos sobre os objetos ao seu redor. Alguns destes efeitos são:

estimativas da massa dos objetos orbitando um buraco negro ou indo em espiral para dentro do núcleo
efeitos de lente gravitacional
radiação emitida

Massa Muitos buracos negros têm objetos em torno deles e, observando o comportamento destes objetos, podemos detectar a presença de um buraco negro. Usamos as medidas do movimento dos objetos ao redor de um suposto buraco negro para calcular sua massa.

O que se procura é uma estrela ou disco de gás que se comporte como se estivesse próximo de uma grande massa. Se uma estrela ou disco de gás visível tem um movimento "vibrante" ou rotatório sem uma razão visível e isso tem um efeito que parece ser causado por um objeto com uma massa maior do que três massas solares (grande demais para ser uma estrela de nêutrons), é possível que um buraco negro esteja causando o movimento. Avalia-se então a massa do buraco negro observando-se o efeito que ele exerce no objeto visível.

No centro da galáxia NGC 4261, por exemplo, há um disco marrom giratório, em forma de espiral. O disco tem o tamanho aproximado do nosso sistema solar, mas pesa 1,2 bilhões de vezes mais do que o sol. Uma massa tão imensa para um disco, poderia indicar que há um buraco negro no seu interior.

Imagem cedida pela NASA/Space Telescope Science Institute Crédito: L. Ferrarese (Johns Hopkins University) e NASA Imagem do telescópio espacial Hubble do centro da galáxia NGC 4261

Lente gravitacional A teoria geral da relatividade de Einstein previu que a gravidade poderia curvar o espaço. Isso foi confirmado mais tarde durante um eclipse solar, quando a posição de uma estrela foi medida antes, durante e depois do eclipse. A posição da estrela mudou porque a luz proveniente dela foi curvada pela gravidade do sol. Portanto, um objeto com imensa gravidade como uma galáxia ou um buraco negro entre a Terra e um objeto distante, poderia curvar a luz proveniente do objeto distante para dentro de um foco, semelhante ao que faz uma lente. Esse efeito pode ser visto na imagem abaixo.

Imagem cedida pela NASA/Space Telescope Science Institute Crédito: NASA e Dave Bennett (University of Notre Dame) Essas imagens mostram o brilho da galáxia MACHO-96-BL5, proveniente de telescópios instalados na terra (esquerda) e do telescópio espacial Hubble (direita)

Na imagem acima, o aumento do brilho da galáxia MACHO-96-BL5 aconteceu quando uma lente gravitacional passou entre ela e a Terra. Quando o telescópio espacial Hubble olhou para o objeto, viu duas imagens do objeto próximas entre si, o que indicou um efeito de lente gravitacional. O objeto que havia entre eles não foi visto. Portanto, concluiu-se que era um buraco negro passando entre a Terra e o objeto.

Radiação emitida Quando a matéria cai dentro de um buraco negro proveniente de uma estrela que o acompanha, ela se aquece em milhões de graus Kelvin e é acelerada. A matéria superaquecida emite raios-x, que podems ser detectados por telescópios orbitais, como o Chandra X-ray Observatory (em inglês).

Imagem cedida por CXC/S.Lee Representação gráfica de um buraco negro em um sistema binário, mostrando o disco de acreção em torno do buraco negro e a emissão de raios-x

A estrela Cygnus X-1 é uma fonte potente de raios-x, considerada uma boa candidata para buraco negro. Como na figura acima, os ventos estelares da estrela acompanhante HDE 226868, sopram matéria no disco de acreção ao redor do buraco negro. À medida que esse material cai dentro do buraco negro, emite raios-x, como observado nesta imagem:

Imagem cedida pela NASA/CXC Imagem de raios-x da Cygnus X-1, obtida pelo Chandra X-ray Observatory

Além dos raios-x, os buracos negros podem também ejetar matéria em alta velocidade para formar jatos. Muitas galáxias têm sido observadas com tais jatos. Atualmente, acredita-se que essas galáxias contêm buracos negros supermassivos (bilhões de massas solares) em seus núcleos, que produzem jatos e também fortes emissões de rádio. Um exemplo é a galáxia M87 mostrada abaixo.

Imagem cedida pela NASA Diagrama esquemático de um núcleo galáctico ativo com um buraco negro supermassivo em seu centro

Imagem cedida pela NASA/Space Telescope Science Institute Crédito: NRAO, NSF, Associate Universities, Inc., NASA, e John Biretta (STScI/Johns Hopkins University) As imagens à esquerda e abaixo são de um radiotelescópio terrestre mostrando o coração da galáxia M87. À direita, uma imagem visível proveniente do telescópio espacial Hubble. Observe o jato de matéria saindo da M87.

É importante lembrar que os buracos negros não são aspiradores de pó cósmicos, eles não consomem tudo. Embora não possamos vê-los, há evidências indiretas de que eles existem. Eles têm sido associados com viagens no tempo e buracos de minhoca (worm holes) e continuam sendo objetos fascinantes do universo.