O QUE VOCÊ NÃO SABE SOBRE O BURACO NEGRO

COMO É FORMADO UM BURACO NEGRO?

Para entendermos a formação e vida do buraco nego, é necessário entender a morte de uma estrela. Uma estrela é formada quando um grande número de gás concentrado (na maior parte hidrogênio) começa a cair sobre si mesma devido à atração gravitacional. À medida que esses gases vão sendo afetados pela gravidade, os átomos do gás presente vão se ricocheteando uns com os outros de modo que a velocidade do choque aumenta gradativamente, aquecendo o gás. Quando essa região afetada pela gravidade tem sua temperatura e pressão aumentadas, o choque dos gases de hidrogênio dão vida ao hélio. O calor liberado na formação do hélio faz a estrela brilhar. Nesse momento ocorre um equilíbrio Hidrostático, e assim ficam por um bom tempo. E aqui nasce uma estrela. No entanto, esse equilíbrio não dura para sempre. Em algum momento, a estrela ficará sem hidrogênio e outros combustíveis estelares. Quando uma estrela perde seu combustível, ela começa a esfriar e vai se contraindo, e foi só no fim da década de 1920 que a ciência entendeu o que poderia acontecer com essa estrela que perdeu seu combustível.

Em 1928 um aluno de pós-graduação de origem Indiana imaginou o quão grande uma estrela poderia ser para poder se equilibrar contra a própria gravidade após a perda de seu combustível. Partindo do pressuposto de que o princípio de exclusão de Pauli pudesse explicar a expansão das partículas de gás no interior da estrela, Subramanyan Chandrasekhar concluiu que há um limite para a repulsão que pode ser dado pelo princípio de exclusão. Esse limite ficou conhecido como limite de Chandrasekhar. Ele nos diz que, dada uma estrela que seja densa o bastante, a repulsão causada pelo princípio de exclusão é menor do que a atração da gravidade. Segundo o limite de Chandrasekhar, uma estrela com 50% mais massa que o sol não seria capaz de se sustentar contra a própria gravidade, e, portanto, entraria em colapso dando vida a um buraco negro.

COMO É UM BURACO NEGRO?

Um clássico buraco negro é caracterizado por três aspectos: Massa, momento angular e carga elétrica. Trataremos apenas de buracos negros que possuem massa e momento angular, que são buracos negros rotativos e estacionários.

Em 1916 um astrônomo que serviu voluntariamente o exército alemão se encontrava doente num hospital quando ficou sabendo da publicação da teoria da relatividade geral. Em menos de um mês, Karl Schwarzschild conseguiu resolver as equações de campo de Einstein de modo que a solução das equações implicava num objeto massivo com raio igual a zero, diâmetro igual a zero e uma densidade infinita. É um tanto complicado para o cérebro humano interpretar esses resultados, uma vez que nossa consciência não nos permite imaginar um corpo de raio zero, diâmetro zero que seja extremamente pesado a ponto atrair para dentro de si tudo que passa perto. De fato, nem o próprio Einstein conseguia interpretar esses resultados e por isso, em 1923 ele publicou um artigo sugerindo que esses resultados não condiziam com a realidade e que buracos negros não existiam.

Esses resultados culminaram no que a gente chama de singularidade. Singularidade, grosso modo, é ponto infinitamente pequeno e infinitamente pesado, que curva o espaço-tempo atraindo para si toda a matéria que ultrapassa o horizonte de eventos. Esse último (horizonte de eventos) é como se fosse a borda do buraco negro, porém, não é como uma linha curvada, mas sim como um disco achatado. Talvez nossa intuição não consiga mesmo interpretar muito bem o que é a singularidade pois, de acordo com a relatividade geral, a curvatura do espaço-tempo é tão forte que as leis da física param lá. O tempo literalmente para. Não faz sentido falar de tempo na singularidade, porque lá o tempo não existe. Fisicamente a gente diz que o tempo dilata.

ME EXPLICA COMO É ESSE TAL HORIZONTE DE EVENTOS?

Explico sim! O horizonte de eventos também é conhecido como “ponto-de-não retorno”, pois nada que cruze o horizonte de eventos consegue voltar. Nem mesmo a luz. Se eu jogar um astronauta em direção ao horizonte de eventos, ele entra em direção a singularidade, porém, ele morreria antes que chegasse lá por um processo que a gente chama de espaguetificação.

Recapitulando, o buraco negro é um ponto infinitesimal no espaço que tem uma densidade infinita e envolto dele tem um horizonte de eventos. Esse ponto pequeno e denso é capaz de deformar o espaço-tempo criando uma atração gravitacional tão forte que nem mesmo a luz consegue escapar dela. Embora a singularidade seja resultado da própria relatividade geral, a mesma teoria aplicada dentro dele leva a cálculos absurdos. Em outras palavras, as leis físicas não funcionam no interior do buraco negro.

VISÃO MODERNA DO BURACO NEGRO

Em 1970 Stephen Hawking discuto com o Matemático Roger Penrose que havia possibilidade de definir a área do horizontes de um buraco negro como sendo possível aumentar, mas nunca diminuir. A ideia era que uma estrela em colapso que possua velocidade de escape igual a velocidade da luz consiga pairar sobre a borda do buraco negro para sempre. Isso acontece porque a gravidade não é suficiente para sugar os fótons para dentro do buraco negro, mas forte o suficiente para não deixar escapar para longe dele. Dessa maneira esses fótons permanecem pairando sempre em torno do buraco negro. Isso significa que a fronteira do buraco negro, também chamada de horizonte de eventos, é formado por raios luminosos que não conseguem escapar dele. Se os raios luminosos que formam o horizonte de eventos nunca podem se aproximar, significa que a área do horizonte de eventos pode permanecer a mesma ou aumentar com o tempo, mas nunca diminuir. Essa descoberta de Stephen Hawking ficou conhecida como 2° lei da dinâmica do buraco negro. Se dois buracos negros colidissem e se fundissem, o horizonte de eventos do buraco negro final, teria de ser maior ou igual a soma das áreas dos dois horizontes de eventos dos dois buracos negros originais, mas nunca menor que o horizonte de eventos de um buraco negro individual.                                       

   Após a descoberta de Stephen Hawking sobre o aumento da área do horizonte de eventos sempre que algum tipo de matéria seja “engolido” pelo buraco negro, Jacob David Bekenstein utilizou essa teoria para sugerir que o aumento da área do Horizonte de Eventos seria uma medida da entropia de um Buraco Negro (1972). A entropia é uma grandeza física que trata de medir o grau de desordem de um sistema. Tecnicamente, a ideia de medir a desordem de um sistema pertence a 2 lei da termodinâmica. Ela diz que “a entropia de um sistema isolado sempre aumenta, e que quando dois sistemas são interligados, a entropia do sistema combinado é maior do que a soma das entropias dos sistemas individuais." Hawking (2015). Isso significa que ao adicionar matéria portadora de entropia dentro do buraco negro, a área do horizonte de eventos deve aumentar, mas nunca diminuir. No entanto, de acordo com a própria lei da termodinâmica, um buraco negro que tem entropia, necessariamente também deve possuir uma temperatura, e um corpo que possui temperatura deve emitir uma taxa de radiação. Dessa maneira, a lei da entropia parecia ser violada, justamente por conta da relatividade geral, pois o buraco negro não poderia emitir coisa alguma, dado que a própria luz não pode escapar do buraco negro.

Dois físicos Russos Yakov Borisovich Zeldovich e Alexei Alexandrovich Starobinsky, fizeram uma abordagem diferente ao analisar um buraco negro. Eles utilizaram mecanismos da mecânica quântica, o princípio da incerteza, proposto por Werner Heisenberg (1927) e demonstraram que buracos negros em rotação deveriam criar e emitir partículas. (Buracos negros em rotação são um, dos quatros tipos de buracos negros conhecidos até hoje. Esse tipo de buraco negro é caracterizado por possuir momento angular, ou seja, que possui movimento de rotação).

RADIAÇÃO HAWKING

Hawking utilizou da mecânica quântica para calcular a radiação emitida, sugerida pelos cálculos dos físicos Russos. Ele chegou à conclusão que até mesmo buracos negros não rotativos fossem capazes de criar e emitir partículas a uma taxa constante.

De acordo com a teoria quântica, as partículas não vêm de dentro do buraco negro, mas, do espaço “quase vazio” fora do horizonte de eventos. Segundo ela, um espaço não pode ser completamente vazio, pois isso implica que os campos: gravitacional e eletromagnético teriam de ser zero. No entanto, o valor de um campo e sua taxa de mudança com o tempo são como posição e velocidade de uma partícula. O princípio da incerteza diz que é impossível saber com precisão a velocidade e posição de uma partícula. Partindo desse pressuposto, os campos não poderiam zerar, de modo que a taxa de mudança com o tempo também teria de ser igual a zero. Dizer que um campo é nulo, seria assumir com precisão o valor da sua taxa de variação, o que não é possível, de acordo com o princípio da incerteza. Portanto, não há espaço vazio, a menos que todos os campos sejam iguais a zero.

Em vez de assumirmos que o espaço é vazio, podemos partir do princípio da incerteza, que nos diz que no universo há flutuações quânticas de vácuo, onde pares “gêmeos” de partículas são formados por um curto período de tempo, e depois se anulam entre si. Trata-se de uma partícula e de uma antipartícula. Ao se desintegrarem, afastam-se e anulam a energia necessária para sua formação, mantendo a energia do universo em ordem. Essas são as chamadas partículas virtuais. O raciocínio de Hawking era, portanto:

“Como a energia não pode ser criada a partir do nada, uma das parceiras em um par de partícula/antipartícula terá energia positiva, e a outra, negativa. A que tem energia negativa é uma partícula virtual de vida curta, pois partículas reais sempre têm energia positiva em situações normais. Ela deve então encontrar sua parceira e aniquilam-se. Entretanto, uma partícula real perto de um corpo massivo tem menos energia do que se estivesse distante, porque seria preciso energia para alçá-la para longe da atração gravitacional do corpo. Em geral, a anergia da partícula ainda é positiva, porem o campo gravitacional dentro de um buraco negro é tão forte que até mesmo uma partícula real pode ter energia negativa ali. Então se há um buraco negro é possível que a partícula virtual com energia negativa caia nele e se torne uma partícula ou antipartícula real. Nesse caso, ela não precisa mais se aniquilar com sua parceira. Sua companheira também pode cair no buraco negro. Ou, tendo energia positiva, pode escapar das proximidades do buraco negro como uma partícula ou antipartícula real.” HAWKING, Stephen. (2015).

   Para um observador distante do horizonte de eventos, a impressão será de que a partícula é filha do buraco negro. Quanto menor for o buraco negro, menor será a distância que a partícula negativa terá de percorrer até se tornar uma partícula real. Em outras palavras, maior será a temperatura e por consequência, maior será a emissão de radiação do buraco negro. A energia positiva da radiação que o buraco negro emite é contrabalançada pela quantidade de partículas que tem energia negativa que o mesmo buraco negro suga para dentro de si.

  Pela equação de Einstein nós queremos que E=mc², em que E é a energia, m uma massa e c a velocidade da luz no vácuo. A energia é proporcional à massa. Portanto, uma quantidade de energia negativa sugada pelo buraco negro vai diminuir sua massa. Quando o buraco negro perde massa, a área do horizonte deveria diminuir, mas isso não acontece, pois, a radiação emitida compensa a perca da massa. Dessa maneira, a lei da entropia não será violada, e o buraco negro continua a emitir radiação. Por definição, a radiação desloca energia de um ponto a outro por meio de partículas ou de ondas eletromagnéticas, ou seja, emite luz! Portanto, Buracos negros não são tão negros quanto diz o senso comum.

Professor: Ricardo Bezerra