Como se detectam buracos negros?

CRÉDITO: NASA

Para responder a esta questão, devemos considerar a gravidade, a força mais fraca da natureza. Para ter uma noção de quão fraca é, basta notar que um pequeno ímã segura um prego que é atraído pela Terra, ou seja, a força magnética de um ímã é maior que a força gravitacional do planeta. Por outro lado, ela tem uma enorme vantagem sobre as demais interações: ela é sempre atrativa. Um ímã, por exemplo, pode atrair ou repelir outro ímã. Uma consequência muito ‘positiva’ para nós é que, graças à gravidade, estamos presos ao chão e não flutuando pelo espaço. Um dos resultados mais fascinantes para a ciência, é que a atração gravitacional possibilita a formação de objetos tão massivos que nenhuma forma de energia ou matéria pode escapar deles, nem mesmo a luz: são os buracos negros.

O conceito de buraco negro foi proposto pelo astrônomo inglês John Michell (1724 – 1793) por meio de um cálculo simples… e sem fundamentação, como foi entendido posteriormente com a teoria da relatividade geral de Einstein, a teoria que melhor define a gravidade atualmente. A ideia de Michell foi descrever teoricamente um corpo celeste cuja gravidade seria tão intensa que a velocidade de escape (velocidade que um objeto deve ter para se afastar indefinidamente do corpo celeste) fosse a velocidade da luz.

Com a teoria da relatividade geral foi possível descrever teoricamente esses objetos. Surgem várias perguntas: Como se formam? Eles existem, de fato? Como podemos detectá-los?

O mecanismo básico de formação de um buraco negro é por meio do colapso gravitacional, tanto no caso da implosão de uma estrela quanto no acúmulo de massa no centro de galáxias. Esses dois cenários dão origem a buracos negros com escalas de massa diferentes: o primeiro mecanismo dá origem a buracos negros com massas da ordem de 10 massas solares; o segundo, produz buracos negros com massas da ordem de milhões a bilhões de vezes a massa solar (sim, alguns deles são do tamanho do nosso sistema solar!).

Até recentemente, nossas melhores evidências para a existência de buracos negros vinham de observações da luz (radiação eletromagnética) que observamos no universo. Para isso usamos o fato de que aproximadamente 2/3 das estrelas do universo são parte de um sistema binário, duas estrelas girando, uma ao redor da outra. Se uma delas der origem a um buraco negro, em alguns casos começará a “sugar” massa da outra estrela que, ao cair nele, esquenta enormemente e emite raios-X. A detecção desses raios-X tem sido a principal ferramenta de observação de buracos negros de massa comparável à do Sol… até o momento!

Na teoria da relatividade geral a gravidade é descrita como um efeito de deformação do espaço-tempo. Esse “tecido” pode vibrar e produzir ondas, as chamadas ondas gravitacionais. Estamos entrando em uma nova era de observações astrofísicas, na qual passamos a usar, além de radiação eletromagnética, os raios-X e as ondas gravitacionais. É como se estivéssemos observando um grupo de pessoas por binóculos (recurso visual) e, de repente, pudéssemos ouvir as conversas que elas estão tendo (recurso auditivo).

Essa perspectiva é tão interessante que merece outra pergunta…

 

Marco Moriconi

Instituto de Física

Universidade Federal Fluminense

Como a detecção de ondas gravitacionais ajudou a entender os buracos negros?

A observação direta de ondas gravitacionais foi seguramente um dos maiores êxitos científicos da década passada. Não porque se duvidasse da existência desse fenômeno, previsto há mais de 100 anos, mas, sim, porque ela abriu janela inédita para observar o espaço. Até então, as informações que obtínhamos de astros vinham ou por meio de ondas eletromagnéticas – as quais incluem luz visível, infravermelho, raios X etc. –, ou por meio de partículas fugazes chamadas neutrinos.

Com os observatórios LIGO e Virgo, responsáveis pela observação das ondas gravitacionais, podemos, desde então, obter informações sobre eventos astronômicos com base em rastros deixados pelas ondas gravitacionais, que são distorções no espaço-tempo (uno indissociável das três dimensões espaciais e do tempo) que se propagam até nós, com mínima dissipação de energia, à velocidade da luz (300 mil km/s).

Os eventos que geraram as ondas gravitacionais detectadas por aqueles laboratórios foram fusões de objetos compactos (como buracos negros e estrelas de nêutrons) que orbitavam um ao redor do outro – tecnicamente, sistema binário.

As primeiras tentativas de medir diretamente ondas gravitacionais datam ainda da década de 1960. As detecções bem-sucedidas, a partir de 2015, foram efeito de muita persistência, avanços tecnológicos e colaborações gigantes. Todo esse esforço já vem nos dando frutos. Um deles: a surpresa de observar buracos negros com massas entre aproximadamente 50 e 100-150 massas solares – intervalo denominado ‘lacuna superior de massa’. Explicado de modo simples, um buraco negro é uma região onde a gravidade é tão forte que nem mesmo a luz consegue escapar dela.

Não se sabe como buracos negros com massas nessa lacuna teriam sido formados. Buracos negros mais leves do que isso podem ser explicados como subprodutos de explosões de supernovas (‘morte’ cataclísmica de uma estrela massiva). Já um buraco negro com massa acima da lacuna pode vir de uma estrela-mãe extremamente pesada, que acaba colapsando, por causa da ação da própria gravidade em uma fase ainda jovem de sua vida.

Mas nenhum desses mecanismos dá conta de buracos negros dentro da lacuna de massa, pois, se imaginarmos que eles sejam filhos de certas estrelas-mães, estas teriam que ter massas entre 150 e 240 massa solares. O problema é que, nesse caso, essas estrelas sofreriam de uma instabilidade que as faria explodir sem deixar um remanescente, o que significa que os buracos negros não poderiam ser filhos de tais estrelas-mãe.

Em resumo: as ondas gravitacionais nos deram a agradável surpresa da observação de buracos negros com massas dentro da lacuna, mas nos deixaram com a árdua tarefa de desvendar como esses corpos são formados.

 

Bruno Arderucio

Instituto de Ciências Nucleare,
Universidade Nacional Autônoma do México

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