Buracos Negros
Os buracos negros são os objetos celestes mais temidos pelas pessoas, mesmo sem conhecimento científico há quem tenha interesse pelo assunto. No episódio “Amanhã é Ontem” a Enterprise escapa por pouco do campo gravitacional de um buraco negro, mas como consequência, viaja para o passado no tempo, especificamente na década de 1960 do planeta Terra, “face a face” com a força aérea dos Estados Unidos da América. Não é de estranhar que foi nos anos 60, bem na época em que a série foi gravada. Mas porque será que os buracos negros provocam tanto terror? Você sabia que existe uma relação fundamental entre aTeoria da Relatividade Geral e os buracos negros? Pois é, isso é o que veremos!
O termo buraco negro significa que uma enorme quantidade de matéria é comprimida em um ponto muito pequeno no espaço criando um buraco (deformação, não um furo) no espaço-tempo, e negro porque não emite luz nenhuma. É comum as pessoas pensarem que um buraco negro vá engolir todo o universo. Esta má fama dos buracos negros não é de toda merecida, e sua versão popular não inclui as novas descobertas a seu respeito, ocorridas nas últimas décadas.
Órbita de Mercúrio
O planeta Vulcano, lar de Spock, na realidade tem uma história na Física do século XX. Um grande enigma na astrofísica do início do século era o fato de que a precessão do periélio de Mercúrio — o ponto de sua maior aproximação do Sol — apresentava pequenas variações de ano para ano que eram inconsistentes com a gravidade Newtoniana. Foi sugerido que um novo planeta existente na órbita de Mercúrio iria perturbá-lo de forma tal que explicasse o problema (de fato, esta mesma solução para uma anomalia na órbita de Urano levou ao descobrimento de Netuno). O nome dado ao planeta hipotético foi Vulcano.
Mas o misterioso planeta Vulcano não está lá. Em vez disso, Einstein propôs que o espaço plano de Newton deveria ser substituído pelo espaço-tempo curvo da relatividade geral. Em 1915, Einstein encontrou a solução para o problema da anomalia da órbita de Mercúrio que intrigava os astrônomos da época. O planeta tinha uma órbita elíptica, mas, em vez de ser fixa, a elipse girava em torno do Sol. O movimento é muito pequeno, chegando a 574 segundos de arco por século, e leva mais de 200 mil anos para Mercúrio percorrer esse ciclo e voltar a sua orientação orbital original. Quando lidam com ângulos muito pequenos, os cientistas usam minutos e segundos em lugar de graus:
1 minuto = 1/60°
1 segundo = 1/60 minutos = 1/3.600°
Assim, cada órbita de Mercúrio avança aproximadamente 0,00038° ou 0,023 minutos, ou 1,383 segundos com relação à órbita anterior. Mercúrio leva 88 dias para orbitar o Sol, assim, depois de um século na Terra, Mercúrio completa 415 órbitas e sua órbita avançou de 415 x 1,383 = 574 segundos.
A órbita de Mercúrio
Os astrônomos tinham presumido que o comportamento peculiar da órbita de Mercúrio era causado pela atração gravitacional dos outros planetas do sistema solar dando puxões em sua órbita. De acordo com alguns estudiosos, devia haver uma influência extra, invisível na órbita de Mercúrio, como por exemplo, um cinturão de asteroides ou uma lua desconhecida do planeta ou um planeta mais interno (Vulcano).
Einstein tinha certeza de que não existia nenhum planeta, lua ou cinturão de asteroides desconhecido, e que o problema estava na equação da gravidade de Newton.
O que o espaço curvo tem a ver com o buraco negro? A ideia inicial é esclarecer uma das maiores controvérsias da história da ciência: a luz é onda ou partícula?
Luz e velocidade de escape
Com a mecânica quântica, sabemos que a natureza da luz é uma complementariedade entre onda e partícula – tal situação é conhecida como dualidade onda-partícula. Em 1704, Newton publicou em seu livro Optiks a sugestão de que a luz seria formada por partículas, cujo movimento poderia ser explicado pela mecânica newtoniana. Nem todo mundo concordava com Newton em relação à luz ser formada por partículas, como Christian Huygens. Para ele, a luz seria uma onda da mesma forma que o som. Na proposta de Newton, seria justo pensar que, uma vez a luz sendo formada de partículas, estas partículas seriam atraídas por um campo gravitacional. Neste caso, a luz teria que ter uma velocidade mínima para “fugir” de um determinado campo gravitacional como todos os outros corpos – tal velocidade é conhecida como velocidade de escape.
Por exemplo, a velocidade de escape da Terra é de 40.000 km/h; assim, se alguém sacar uma bola na vertical com uma velocidade superior a este valor é melhor comprar outra, pois a que foi sacada não volta mais. Os foguetes espaciais atingem uma velocidade igual ou superior a 40.000 km/h para escapar do campo gravitacional da Terra e chegar ao espaço. Assim, a velocidade de escape de uma buraco negro é tão alta que ultrapassa o valor da velocidade da luz, por esta razão ela não consegue escapar do seu campo gravitacional.
CARACTERÍSTICAS DE UM BURACO NEGRO
Em um buraco negro a curvatura é tão grande em uma região tão pequena que os efeitos da gravidade seguem as leis da mecânica quântica. Einstein tentou juntar a teoria da gravidade e a mecânica quântica pela “Teoria do Campo Unificado”. Conta a história que a matemática que descreveria essa unificação seria absurda e complicada demais para compreender, portanto, Einstein não teve sucesso. Ninguém ainda conseguiu escrever uma teoria que concilie de forma consistente a relatividade geral (isto é, a gravidade) e a mecânica quântica.
Um buraco negro é separado do resto do universo por uma fronteira chamada horizonte de eventos. O horizonte de eventos não é como a superfície de um corpo sólido ou líquido. Não existe nenhuma matéria nele exceto durante o instante que a matéria em queda leva para cruzar o horizonte de eventos e entrar no buraco negro. De acordo com a teoria de Einstein, o horizonte de eventos é uma esfera. Quanto mais massivo for o buraco negro, maior será seu horizonte de eventos (em termos de comprimento).
A origem dos buracos negros
Como um buraco negro se forma? O que um buraco negro era antes de virar buraco negro? Isso leva em conta a formação estelar. Nem todos os buracos negros são iguais, mas podem ser divididos em dois grupos, dependendo de sua origem e massa: buracos negros estelares e os supermaciços, que se acredita hoje estarem no centro de galáxias.
Para formar o buraco negro estelar, uma estrela é formada quando uma grande porção de gás (sobretudo hidrogênio) se contrai por causa da atração gravitacional das suas partes. À medida que a estrela vai ficando menor, os átomos do gás colidem uns com os outros (por causa do pequeno espaço), cada vez com mais frequência e a velocidades cada vez maiores. Assim, o gás aquece. A certa altura, o gás estará tão quente que os átomos de hidrogênio colidem e juntam-se para formar hélio. O calor liberado nesta reação faz a estrela brilhar.
O calor adicional aumenta também a pressão do gás até esta ser suficiente para equilibrar a atração gravitacional e o gás deixa de se contrair. É parecido com um balão: há um equilíbrio entre a pressão do ar dentro dele, que tenta dilatar o balão e a tensão da borracha, que tenta tornar o balão menor. As estrelas permanecem estáveis durante muito tempo, com o calor das reações nucleares equilibrando a atração gravitacional. A certa altura, porém, a estrela esgotará o seu hidrogênio e hélio. O estranho é que, quanto maior for a porção de combustível com que a estrela começa, mais depressa este se esgota. Isto é lógico porque, quanto mais massiva for a estrela, mais quente precisa de estar para equilibrar a sua atração gravitacional. E, quanto mais quente estiver, mais depressa gastará o seu combustível.
Depois de transformar hidrogênio em hélio através de um processo chamado fusão nuclear (em que os núcleos dos átomos se fundem, ou seja, se tocam, o que não acontece no nosso mundo: na verdade não tocamos nada, pois os núcleos dos nossos átomos não tocam os núcleos de outros átomos, mas sentimos a sensação do toque por causa dos campos elétricos gerados pelos elétrons), o hélio se transforma em outro elemento mais estável – existe sempre uma tendência para os núcleos dos átomos buscarem a maior estabilidade possível. Os átomos mais estáveis são aqueles encontrados no meio da tabela periódica, como o ferro. Os núcleos muito grandes, como aqueles no final da tabela periódica, podem sofrer fissão e os núcleos menores podem sofrer fusão. Porém, a grande maioria dos núcleos de tamanho médio praticamente nunca sofre nenhum tipo de reação nuclear e é por isso que a estrela é freada no momento em que os núcleos já se transformaram em ferro, e a estrela fica estável.
