Estruturas do Universo

A definição mais simples de buraco negro é: um objeto tão denso que nem mesmo a luz pode escapar de sua superfície. Vamos entender como isso acontece?

O conceito de buraco negro pode ser compreendido se pensarmos sobre o quão rapidamente algo precisa se mover para escapar da gravidade de outro objeto. Isto é chamado de velocidade de escape, cuja definição formal é: a velocidade que um corpo precisa atingir para libertar-se da atração gravitacional de outro corpo.

São dois os fatores que afetam a velocidade de escape: a massa do objeto e a distância até o centro do mesmo. Por exemplo, dada a massa da Terra e a distância da superfície até seu centro, para que uma pedra escape de nosso planeta, precisa ser lançada de modo que atinja uma velocidade de 11,2 km/s.

Se esta mesma pedra estivesse em um planeta com a mesma massa terrestre, mas com metade de seu diâmetro, a velocidade de escape seria de 15,8 km/s. Embora a massa seja a mesma, a velocidade de escape é maior porque o corpo do qual pretende escapar é menor, portanto mais denso.

E se o corpo for ainda menor? Se toda a massa da Terra for acomodada em uma esfera de raio igual a 9 mm, a velocidade de escape será igual à velocidade da luz. E se o tamanho desse objeto for reduzido só mais um pouquinho, a velocidade de escape será maior do que a da luz!

Porém, este é o limite cósmico de velocidade. Nada pode viajar mais rapidamente que a luz. Logo, torna-se impossível que a pedra escape, se ela estiver muito próxima. É assim que funciona um buraco negro.

Em outras palavras, um buraco negro é qualquer coisa que exija uma velocidade de escape maior que a da luz para que um objeto se livre de sua força gravitacional. Para atingir uma condição desse tipo, nosso Sol precisa que toda a sua massa seja espremida em um volume com raio de aproximadamente 3 quilômetros.

Um buraco negro tem dois componentes básicos: o horizonte de eventos e a singularidade.

O horizonte de eventos é a "região de não retorno" em volta do buraco negro, uma superfície esférica imaginária que o envolve, da qual nem a luz consegue escapar.

Uma vez que a matéria ultrapasse o horizonte de eventos, ela cairá em direção ao centro, exatamente concentrando-se em um ponto de volume muito, muito pequeno e uma densidade absurdamente alta, tendendo ao infinito.

Tal ponto é a singularidade, uma condição que também havia imediatamente antes do Big Bang, o evento que deu origem ao nosso Universo. A distância entre a singularidade e a superfície do horizonte de eventos é chamada de Raio de Schwarzschild.

Em uma singularidade, as leis físicas conhecidas perdem o sentido. Um grande desafio da Cosmologia Moderna é chegar a uma teoria completa que descreva o que de fato acontece no centro de um buraco negro.

Se nem a luz consegue escapar dos buracos negros, como podemos garantir que eles são reais? Como foi que provamos que eles existem mesmo?

O físico, matemático, cosmólogo e filósofo inglês Roger Penrose foi pioneiro em demonstrar teoricamente, usando métodos matemáticos simples, a existência dos buracos negros como consequência direta da Teoria da Relatividade Geral, de Albert Einstein.

Em janeiro de 1965, dez anos depois da morte de Einstein, que não acreditava na existência desses exóticos objetos cósmicos, Penrose publicou um artigo onde os descreveu em detalhes, mostrando que no centro de cada um deles jaz uma singularidade, na qual todas as leis naturais conhecidas param de funcionar.

Posteriormente, várias dessas estruturas foram descobertas por detecção indireta. Os astrônomos observam corpos celestes e neles percebem comportamentos que somente podem ser explicados pela presença de um corpo muito massivo e denso nas proximidades.

Os efeitos observados incluem: materiais sendo puxados para o interior do buraco negro, discos de acreção formando-se no entorno e estrelas orbitando um objeto massivo, porém invisível.

Para saber mais sobre a formação de discos de acreção e jatos relativísticos, leia nossa matéria sobre galáxias ativas.

Observações mais profundas de buracos negros vêm sendo realizadas através de um grandioso projeto colaborativo chamado Event Horizon Telescope (EHT). Trata-se de uma associação internacional que usa uma tecnologia chamada VLBI - Very Long Baseline Interferometry (Interferometria de Longa Linha de Base) para integrar uma grande rede de telescópios espalhados por todo o mundo, na prática funcionando como se fosse um só, do tamanho da Terra! Desta forma, atingem-se níveis de sensitividade e resolução sem precedentes.

Em 10/04/2019, o EHT divulgou seu primeiro resultado de grande impacto: a primeira autêntica fotografia de um buraco negro. O objeto observado, do tipo supermassivo, encontra-se no centro da M 87, uma densa galáxia nas proximidades do Aglomerado de Virgem. A estrutura reside a 55 milhões de anos-luz da Terra, sendo 6,5 bilhões de vezes mais massiva que o Sol.

Posteriormente, em maio de 2022, o EHT anunciou a obtenção da primeira imagem do buraco negro supermassivo que se encontra no coração da Via Láctea.

Tradicionalmente, são consideradas duas classes básicas de buracos negros - aqueles com massa de 5 a 20 vezes a do Sol, chamados de buracos negros de massa estelar, e os que têm massa de milhões a bilhões de vezes a massa solar, que são os buracos negros supermassivos.

Buracos negros estão espalhados pela galáxia. Os de massa estelar são formados quando estrelas massivas ficam sem combustível e entram em colapso. Logo, eles podem ser localizados nos mesmos lugares em que as estrelas costumam ser encontradas.

Alguns buracos negros de massa estelar nasceram como partes de sistemas binários. A forma como um buraco negro afeta o comportamento de sua companheira pode ser uma pista para a descoberta de sua presença.

Os buracos negros supermassivos são encontrados no centro de quase todas as grandes galáxias. Estudos recentes sugerem que o tamanho de cada um desses objetos está relacionado com o tamanho de sua galáxia. Portanto, é evidente que há uma correlação entre a formação do buraco negro e a formação da galáxia.

A diferença entre as ordens de grandeza dos dois tipos de buraco negro é enorme. Por muito tempo, os astrônomos defenderam que teria que haver uma terceira classe, intermediária, mas somente nos anos 2000 é que começaram a observar possíveis evidências.

Esses estudos são complicados, pelo fato de que muitos objetos identificados como candidatos a buracos negros intermediários também podem ser explicados de outras formas.

Há uma classe de objetos chamados de fontes ultraluminosas de raios X (ultraluminous X-ray sources ou ULX's), que emitem raios X mais intensamente do que os processos estelares conhecidos. Um modelo postula que uma ULX hospeda um buraco negro intermediário. No entanto, pesquisas adicionais têm favorecido hipóteses alternativas para a maioria dos fenômenos observados.

Atualmente, sabe-se que buracos negros de massa intermediária existem mesmo, mas são muito esquivos, difíceis de serem localizados. Recentemente, no entanto, foram identificadas fortes evidências de alguns deles.

Resultados de estudos baseados em observações do Telescópio Espacial Hubble, publicados no The Astrophysical Journal Letters de 31 de março de 2020, podem ser considerados como uma prova. A NASA abordou esses estudos no artigo Hubble Finds Best Evidence for Elusive Mid-Sized Black Hole, na mesma data.

O buraco negro detectado denunciou sua existência ao despedaçar uma estrela que passou por suas imediações. Esta excitante descoberta abre as portas para a possibilidade de existirem muitos outros objetos desse tipo escondidos pelo espaço, à espera de eventos parecidos que os revelem.