Buracos Negros

30-03-2013 19:22

 

Começo pela pergunta evidentemente necessária: os buracos negros existem mesmo?

Apesar de ainda nem tudo ser claro sobre eles, os buracos negros existem.

 

Definição sumária:

 

    Buraco negro é o nome que se deu a um "objecto" astronómico de elevada força gravítica, tão elevada que a velocidade de escape (velocidade necessária para escapar ao seu campo gravitacional) é superior à velocidade da luz (para terem uma ideia, a velocidade de escape do campo gravítico terrestre é de cerca de 11 km/s, enquanto que a velocidade da luz é 300 000 km/s, a partir desta relação, e se procurarem a relação para a velocidade de escape, facilmente podem calcular a massa mínima que um buraco negro tem que ter - o cálculo estará errado, pois é necessário aplicar a Relatividade Geral, no entanto, a estimativa será aceitável). Isto implica que nem mesmo a luz lhe pode escapar, o que o torna "negro", estando o termo "buraco" associado ao facto de que tudo pode "cair" dentro dele (e não mais sair). A formação de um buraco negro acontece por colapso de estrelas maciças.

 

Como é que chegaram à conclusão que existia mesmo?

 

    No principio da década de 70, captou-se um sistema supostamente binário de duas estrelas de massas muito elevadas na constelação do Cisne. Porquê supostamente? Tinha toda a "aparência" de ser um sistema binário (duas estrelas a orbitarem em torno uma da outra), no entanto, uma das estrelas não era visível, mas tendo em conta o campo gravitacional que tinha que apresentar para ser o binário da outra estrela, teria que ser um objecto extremamente maciço. Ora objectos maciços só eram conhecidos dois: as estrelas (que não poderia ser, por serem visíveis) e os buracos negros da teoria.

 

E não poderia ser outra "coisa" qualquer sem ser um buraco negro?

 

    A "coisa qualquer" é o buraco negro. Todas as propriedades correspondiam a um buraco negro e não havia outra alternativa viável.

 

Tendo o buraco negro um tal campo gravitacional, é de esperar que ele vá cada vez consumindo mais e mais, até se agrupar com outros, acabando por "engolir" tudo no universo?

 

    Não. Stephen Hawking descobriu que os buracos negros não são assim tão negros, isto é, emitem radiação (radiação de Hawking). O fenómeno tem por base a mecânica quântica, a qual prevê que no vácuo sejam criadas partículas e anti-partículas, as quais se aniquilam de seguida. Ora se tal acontecer junto de um buraco negro (junto do seu horizonte de acontecimentos), a força gravitacional que este produz fará com que as partículas se afastem uma da outra: uma é sugada, a outra é "emitida", este fenómeno leva a que o buraco negro perca massa. Quanto menor é o buraco negro, maior é a taxa de emissão, pelo que este fenómeno é capaz de "destruir" buracos negros. Caso assim não fosse, não estaria provado que o universo teria que acabar num Big Crunch (o contrário do Big Bang, ou seja, a implosão do universo), devido à acção dos buracos negros, pois é necessário ainda ter em conta que o universo se está a expandir, pelo que mesmo que os buracos negros não se extinguissem, poderiam não ter tempo suficiente para "puxarem o universo", pois este estaria sempre "um passo" à frente...

 

Que tem de especial então um buraco negro?

 

    Acontece que se previu teoricamente que dentro de um buraco negro (dentro do horizonte de acontecimentos - local a partir do qual já não mais se poderá fugir à acção gravítica do buraco), as Leis da Física que se conhecem encontram os seus limites (o que está relacionado com o facto de matematicamente um buraco negro ser uma "singularidade"). Prevêem-se características como: quando se "cai" no buraco negro nunca se chega a atingir o centro, pois é como se ele não existisse, embora estejamos cada vez mais próximos deste. Outra característica muito peculiar é que dentro do horizonte de acontecimentos há uma alteração completa nas características fundamentais do "tecido" do espaço-tempo: enquanto que fora dele um ser pode escolher a sua posição, mas não o seu tempo - este passa independentemente do que se faça ("esquecendo" a relatividade que dá um certo poder sobre essa questão), no buraco negro passa-se o contrário: a posição vai sempre convergindo para um centro que nunca se alcança, no entanto, ganhar-se o poder de controlar o tempo. Poderei se quiser parar o tempo, fazê-lo evoluir para a frente, para trás, o que se desejar, não tendo, porém, qualquer benefício, pois o destino está traçado: ficar-se-á para todo o sempre a cair no buraco negro (pelo menos até que ele se "evapore" através da radiação de Hawking). (Notar que o tempo não está associado a localizações, portanto se escolhermos ir para um passado em que não estávamos no buraco, não deixamos de lá estar, simplesmente alterámos a nossa idade. Haverá perda de memória? É discutível, de qualquer forma, toda esta discussão parte da premissa de que se poderia estar vivo dentro do buraco negro, o que é impossível, pois qualquer ser seria à partida "desfeito" pela gravidade.)

 

Que significam  "aqueles funis" que representam buracos negros?

 

    A imagem do "funil":

 

    Segundo Einstein e a sua Teoria Geral da Relatividade, existe uma certa geometria que caracteriza o espaço-tempo do universo. Uma das grandes previsões desta teoria é que a gravidade e a forma da geometria estão intimamente relacionadas. A deformação que uma estrela pode provocar nesta geometria pode ser visualizada de um modo prático do seguinte modo: imaginem um lençol (estrutura do espaço-tempo), em seguida coloquem uma esfera de chumbo sobre o lençol (representa a estrela), a deformação do lençol representa a nova geometria do espaço-tempo devido à presença da estrela (ver artigo sobre a Relatividade Geral). 

    Se em vez de uma estrela considerássemos um buraco negro, na analogia a tal "esfera" conseguiria romper o lençol - daqui vem a imagem do "funil".

 

Buracos Brancos existem? O que são?

 

    Estes sim, não se sabe se existem mesmo. Como sugere o nome, é algo oposto aos buracos negros (expele matéria) e foram inventados porque a teoria os permite e por uma questão de simetria (a simetria é uma das "ferramentas" mais poderosas que os físicos dispõem para deslindar os segredos do universo, pois para além dos físicos, o universo também parece "gostar" bastante de simetria!). Em algumas teorias os buracos brancos surgem de outras ideias mais "excêntricas": partindo do pressuposto que o universo poderá vir a colapsar sobre si, então será de esperar que a expansão um dia acabe e que comece a contracção. O que será de esperar nesta altura? Primeiro, a Lei da Entropia poderá ser invertida: em vez de aumentar, poderá passar a diminuir (a entropia mede a desordem, ou seja, e quase que explicitando a fórmula Física: varia proporcionalmente com o logaritmo do número de microestados existentes no sistema considerado). Segundo, poder-se-á ter o tempo a evoluir ao "contrário" (talvez o estranho caso do Benjamim Button passe a ser um ser humano que nasce bebé e morre velho...). Terceiro, os buracos negros poderão ser "trocados" por buracos brancos! (As teorias não se ficam por aqui...) Relembro que tudo isto são teorias, muitas delas incompletas e que não merecem muita especulação. Resumindo, o buraco branco é o "contrário" do buraco negro e pode existir, embora não haja evidências que apontem nesse sentido.

 

Wormhole - Buraco de Minhoca - Buraco de Verme existe? O que é?

 

    E ainda conhecido por Ponte de Einstein-Rosen, é também um "objecto" astronómico que poderá existir, embora ninguém ainda tenha "visto" um.

Podem ser representados segundo esquemas semelhantes a este:

 

    Como podem ver, será algo que unirá diferentes sítios da estrutura do espaço-tempo. (Daqui surgem teorias sobre viajar no tempo e/ou espaço. Segundo outras teorias, estes "túneis" poderiam ligar universos paralelos, embora, mais uma vez, sejam apenas possibilidades teóricas, longe de estarem integradas numa teoria completa e ainda mais longe de serem provadas experimentalmente.)

    Como vêem na imagem, no meio do "túnel" tem lá "energia negativa" - este é um dos problemas, pois nunca se observou energia negativa (nem sequer se compreende bem o conceito). Poderão vós perguntar porquê que metem uma "energia" que não se sabe que exista na teoria? Simplesmente porque a consequência é atractiva e, claro, porque sem energia negativa, a chamada garganta do buraco fecharia sempre que recebesse qualquer matéria, o que tornaria o túnel inútil em termos teóricos, pois só existiria caso não fosse usado.

 

Marinho Lopes (colaborador do Ciência com Todos e doutorando em Física na U. de Aveiro) - texto primeiramente publicado no Blog do autor: Sophia of Nature.

 

Ver original em: http://sophiaofnature.wordpress.com/2011/04/06/buracos-negros/

 

Tópico: Comentários

Buracos Negros

Data: 27-10-2015 | De: Guilherme Achetta

Professor Marinho,

Os buracos negros são provocados pelos colapsos gravitacionais de grandes estrelas tão maiores quanto o sol.
Daí se origina a singularidade no espaço-tempo que nada mais são do que densidade e massa tendendo ao infinito que provocam uma deformação na geodésica. Porém gostaria de saber o que é este infinito na singularidade do espaço-tempo, este infinito seria uma função derivada da geometria da curva no qual nao tem limites? Mais basicamente: a grosso modo seria como calcular o volume de um "TUBO" (buraco de minhoca) com altura infinita?

Radiação de Hawkiing

Data: 03-04-2013 | De: Graciete Virgínia Rietsch Monteiro Fernandes

Surgiu-me outra dúvida. Dado que nem a luz escapa ao buraco negro, as partículas emitidas por ele não terão que possuir uma velocidade superior à da luz ?
Este assunto é lindo, mas complicado e o que eu sei sobre ele é nada. Ainda bem que existem estes SITE que me dão algum conhecimento.
Obrigada.

Re:Radiação de Hawkiing

Data: 04-04-2013 | De: Marinho Lopes

A força gravitacional diminui com a distância, o que implica que a velocidade de escape (velocidade necessária para escapar a um campo gravitacional) também diminui com a distância. O "horizonte de acontecimentos" é basicamente a distância à qual a velocidade de escape é igual à velocidade da luz, o que implica que nada consegue sair do buraco negro uma vez dentro deste horizonte de acontecimentos. No entanto, o fenómeno da radiação de Hawking decorre no limiar exterior do horizonte de acontecimentos, o que significa que aí é possível escapar ao buraco negro. Assim estas partículas não precisam de ter velocidade superior à da luz e efectivamente não têm. (O limite da velocidade da luz continua a ser válido em Física. As notícias sobre os neutrinos mais rápidos que a luz de há uns meses, por exemplo, foram desmentidos.)

Re:Re:Radiação de Hawkiing

Data: 05-04-2013 | De: Graciete Virgínia Rietsch Monteiro Fernandes

Muito obrigada. Percebi perfeitamente.
Um abraço.

Relação entre tempo e posição de partículas no interior do buraco negro

Data: 01-04-2013 | De: Graciete Virgínia Rietsch Monteiro Fernandes

Também não compreendo muito bem a relação tempo espaço num buraco negro. Poder-se-à controlar o tempo, até mesmo pará-lo, mas o percurso será sempre cair, cair, embora nunca se atinja o centro? Outra coisa que me pareceu um bocadinho contraditória. Se escolhermos um tempo em que ainda não estávamos lá, continuamos a estar no mesmo sítio embora com menor idade. Então a queda para o centro não é inexorável?
Por outro lado isto não será uma prova da impossibilidade de viagens ao passado no nosso Universo já que é impossível sair do buraco negro?
As minhas dúvidas são muitas, mas o assunto é fascinante. Obrigada Professor Marinho Lopes.

Re:Relação entre tempo e posição de partículas no interior do buraco negro

Data: 01-04-2013 | De: Marinho Lopes

Prevê-se que dentro de um buraco negro, o espaço fique com propriedades que "cá fora" são normalmente do tempo, e o tempo com as do espaço. O centro do buraco negro é uma singularidade, o que faz com que atingi-lo seja supostamente impossível, no entanto, é atractivo, o que significa que um corpo dentro do buraco negro caminha sempre em direcção a esse centro, mas nunca o alcança. É como tentar contar até infinito...

Quanto à segunda dúvida: com "mesmo sítio" queria dizer dentro do buraco negro. É difícil de compreender isto, porque para nós só faz sentido pensar em movimento ao longo do tempo, mas tal não é uma necessidade física. Basta recordar que os fotões não têm idade, mas que viajam.

Usando buracos negros é certamente impossível viajar no tempo, por isso inventaram os wormholes onde é possível sair do buraco, contudo para isso são necessárias outras hipóteses não verificadas.

De nada, coloque quantas dúvidas quiser. :)

Re:Re:Relação entre tempo e posição de partículas no interior do buraco negro

Data: 01-04-2013 | De: Graciete Virgínia Rietsch Monteiro Fernandes

Obrigada. De facto este assunto é complicado mas fascinante. O nosso Universo, apesar de tão estudado, ainda está cheio de singularidades. Mas, com o estudo e persistência dos cientistas, os "mistérios" lá se vão resolvendo.

Buracos Negros

Data: 31-03-2013 | De: Marinho Lopes

Obrigado pelos comentários.

Realmente a parte mais especulativa não está muito bem explicada exactamente por ser ainda quase ficção. Referi-os quer porque suscitam interesse pelas implicações que poderão ter caso um dia venha a ser confirmada a sua existência, quer para mostrar que a Ciência por vezes evolui assim, com a teoria preceder a observação. Pode-se dizer que tal tem sido relativamente comum nos últimos anos em Física das altas energias, tendo tal "fenómeno" ganho uma visibilidade pelo público com o Bosão de Higgs. Contudo, o normal em Ciência (isto é, o que tem sido mais comum no passado) é ter a observação a preceder a teoria. Finalmente, não me alonguei mais porque não são conceitos fáceis de explicar sem entrar em pormenores demasiado complexos.

Buracos Negros

Data: 31-03-2013 | De: Cibele Sidney

Muito elucidativo seu texto, parabéns!

Buracos Negros

Data: 30-03-2013 | De: Graciete Virgínia Rietsch Monteiro Fernandes

Gostei da explicação relativa aos buracos negros e à radiação de Hawking.
Quanto a buracos brancos, túneis de verme, inversão da lei da entropia, fiquei um pouco confusa. Mas como tudo não passa ainda de hipóteses, não me preocupei muito em tentar perceber melhor. Também não compreendo o conceito de energia negativa pois penso que a energia só pode ser positiva.
Mais uma vez parabéns para o professor Marinho Lopes e também para o amigo João Cesariny Calafate.

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