Composição de um buraco negro

Quando você ouve a frase "buraco negro", quase certamente evoca uma sensação de mistério e admiração, talvez tingida com um elemento de perigo. Embora o termo "buraco negro" tenha se tornado sinônimo na linguagem cotidiana de "um lugar para onde algo vai, para nunca ser visto novamente, "a maioria das pessoas está familiarizada com seu uso no mundo da astronomia, se não necessariamente com recursos precisos e definições.

Durante décadas, um dos refrões mais comuns que resumem os buracos negros tem sido o de "um lugar onde a gravidade é tão forte, nem mesmo a luz pode escapar. "Embora este seja um resumo preciso o suficiente para começar, é natural imaginar como tal coisa pode acontecer para começar com.

Outras questões abundam. O que há dentro de um buraco negro? Existem diferentes tipos de buracos negros? E qual é o tamanho típico de um buraco negro, assumindo que tal coisa exista e possa ser medida? O lançamento do telescópio Hubble revolucionou a forma como os buracos negros podiam ser estudados.

Antes de nos aprofundarmos no tópico dos buracos negros - e trocadilhos ruins - é útil revisar a terminologia básica usada para definir as propriedades e a geometria dos buracos negros.

Mais notavelmente, cada buraco negro tem em seu centro efetivo, umsingularidade, que consiste em matéria tão comprimida que é quase uma massa pontual. A enorme densidade resultante produz um campo gravitacional tão poderoso que, a uma certa distância, nem mesmo os fótons, que são as "partículas" de luz, podem se libertar. Esta distância é conhecida comoRaio de Schwarzchild; em um buraco negro não rotativo (e você aprenderá sobre o tipo mais dinâmico em uma seção subsequente), a esfera invisível com este raio com a singularidade em seu centro forma oHorizonte de eventos​.

Claro, nada disso explica de onde realmente vêm os buracos negros. Eles surgem espontaneamente e em lugares aleatórios em todo o cosmos? Em caso afirmativo, há alguma previsibilidade em sua aparência? Considerando seu alardeado poder, seria útil saber se um buraco negro poderia estar planejando se estabelecer nas proximidades do sistema solar da Terra.

A existência de buracos negros foi proposta pela primeira vez em 1700, mas os cientistas da época não tinham os instrumentos necessários para confirmar o que haviam proposto. No início dos anos 1900, o astrônomo alemão Karl Schwarzchild (sim, aquele) usou a teoria geral de Einstein relatividade para estabelecer o comportamento fisicamente mais proeminente dos buracos negros - sua capacidade de "capturar" a luz.

Em teoria, com base no trabalho de Schwarzchild, qualquer massa poderia servir de base para um buraco negro. O único requisito é que seu raio após ser comprimido não exceda seu raio de Schwarzchild.

A existência de buracos negros apresentou aos físicos um enigma, embora atraente para tentar resolver. Acredita-se que, graças à curvatura do espaço-tempo resultante da extraordinária força da gravidade nas proximidades do buraco negro, as leis da física em vigor se rompem; como o horizonte de eventos é inacessível para a análise humana, esse conflito, na verdade, não é um conflito para os astrofísicos.

Se pensarmos no tamanho do buraco negro como a esfera formada pelo horizonte de eventos, a densidade é muito diferente do que se o buraco é tratado em vez disso apenas como a estrela colapsada ridiculamente minúscula com massa formando a singularidade (mais sobre isso em um momento).

Os cientistas acreditam que os buracos negros podem ser tão minúsculos quanto certos átomos, mas possuem a mesma massa de uma montanha na Terra. Por outro lado, alguns podem ter cerca de 15 ou mais vezes a massa do sol, embora ainda sejam minúsculos (mas não atômicos em tamanho). Essesburacos negros estelaressão encontrados em todas as galáxias, incluindo a Via Láctea, na qual residem a Terra e o sistema solar.

Outros buracos negros podem ser muito, muito maiores. Essesburacos negros supermassivospode ter mais de um milhão de vezes a massa do Sol, e acredita-se que cada galáxia tenha uma em seu centro. Aquele no centro da Via Láctea, apelidadoSagitário A, é grande o suficiente para conter alguns milhões de Terras, mas este volume empalidece em comparação com a massa do objeto - estimada em 4 milhões de sóis.

Em vez de se formar e aparecer de forma imprevisível, uma ameaça levemente sugerida anteriormente, acredita-se que os buracos negros se formem ao mesmo tempo que os objetos maiores nos quais eles vivem." Acredita-se que alguns minúsculos buracos negros se formaram ao mesmo tempo que o próprio cosmos surgiu, na época do Big Bang, quase 14 bilhões de anos atrás.

Correspondentemente, buracos negros supermassivos dentro de galáxias individuais se formam no momento em que essas galáxias se aglutinam a partir de matéria interestelar. Outros buracos negros se formam como consequência de um evento violento chamadoSuper Nova​.

Uma supernova é a morte implosiva, ou "traumática" de uma estrela, em oposição a uma estrela queimando como uma gigantesca brasa celestial. Esses eventos ocorrem quando uma estrela esgotou tanto de seu combustível que começa a entrar em colapso sob sua própria massa. Essa implosão resulta em uma explosão de rebote que expulsa muito do que restou da estrela, deixando uma singularidade em seu lugar.

Um dos problemas acima mencionados para os físicos é que a densidade da porção do buraco negro considerada como a singularidade não pode ser calculado como algo diferente de infinito, uma vez que é incerto quão pequena a massa realmente é (por exemplo, quão pequeno é o volume ocupa). Para calcular significativamente a densidade de um buraco negro, seu raio de Schwarzchild deve ser usado.

Um buraco negro de massa terrestre tem uma densidade teórica de cerca de 2 × 10²⁷ g / cm³ (para referência, a densidade da água é de apenas 1 g / cm³). Essa magnitude é praticamente impossível de colocar no contexto da vida cotidiana, mas os resultados cósmicos são previsivelmente únicos. Para calcular isso, você divide a massa pelo volume depois de "corrigir" o raio usando as massas relativas do buraco negro e do sol, conforme mostrado no exemplo a seguir.

​Problema de amostra:Um buraco negro tem a massa de cerca de 3,9 milhões (3,9 × 10⁶) sóis, com a massa do sol sendo 1,99 × 10³³ gramas, e é considerada uma esfera com um raio de Schwarzchild de 3 × 10⁵ cm. Qual é a sua densidade?

Primeiro, encontre oraio efetivo da esfera formando o horizonte de eventosmultiplicando o raio de Schwarzchild pela razão entre a massa do buraco negro e a do sol, dada como 3,9 milhões:

Em seguida, calcule o volume da esfera, encontrado na fórmula V = (4/3) πr³:

Finalmente, divida a massa da esfera por este volume para obter a densidade. Como você recebe a massa do sol e o fato de que a massa do buraco negro é 3,9 milhões de vezes maior, você pode calcular essa massa como (3,9 × 10⁶)(1.99 × 10³³ g) = 7,76 × 10³⁹ g. A densidade é, portanto:

Os astrônomos produziram diferentes sistemas de classificação para buracos negros, um baseado apenas na massa e outro baseado na carga e rotação. Conforme observado de passagem acima, a maioria (senão todos) dos buracos negros giram em torno de um eixo, como a própria Terra.

Classificar buracos negros com base na massa produz o seguinte sistema:

• ​Buracos negros primordiais:Eles têm massas semelhantes às da Terra. São puramente hipotéticos e podem ter se formado por meio de distúrbios gravitacionais regionais imediatamente após o Big Bang.
• ​Buracos negros de massa estelar:Mencionado anteriormente, eles têm massas entre cerca de 4 e 15 massas solares e resultam do colapso "tradicional" de uma estrela maior do que a média no final de sua vida.
• ​Buracos negros de massa intermediária:Não confirmado em 2019, esses buracos negros - cerca de alguns milhares de vezes mais massivos que o sol - podem existir em alguns aglomerados de estrelas e também mais tarde podem florescer em buracos negros supermassivos.
• ​Buracos negros supermassivos:Também mencionado anteriormente, eles possuem entre um milhão a um bilhão de massas solares e são encontrados no centro de grandes galáxias.

Em um esquema alternativo, os buracos negros podem ser categorizados de acordo com sua rotação e carga:

• ​Buraco negro de Schwarzschild:Também conhecido comoburaco negro estático, esse tipo de buraco negro não gira e não tem carga elétrica. Portanto, é caracterizado apenas por sua massa.
• ​Buraco negro de Kerr:Este é um buraco negro em rotação, mas, como um buraco negro de Schwarzschild, não tem carga elétrica.
• ​Buraco negro carregado:Estes vêm em duas variedades. A carregada,não rotativoburaco negro é conhecido como umBuraco negro Reissner-Nordstrom, enquanto um carregado,rotativoburaco negro é chamado deBuraco negro de Kerr-Newman​.

Você estaria certo em começar a se perguntar como os cientistas tiraram tantas conclusões confiáveis ​​sobre objetos que, por definição, não podem ser visualizados. Muito conhecimento sobre buracos negros foi inferido pelo comportamento e aparência de objetos relativamente próximos. Quando um buraco negro e uma estrela estão próximos o suficiente, um tipo especial de radiação eletromagnética de alta energia resulta e pode alertar os astrônomos.

Grandes jatos de gás às vezes podem ser vistos projetando-se das "extremidades" de um buraco negro; às vezes, esse gás pode se aglutinar em uma forma vagamente circular conhecida comodisco de acreção. É ainda teorizado que os buracos negros emitem um tipo de radiação chamada, apropriadamente,radiação de buraco negro(ouRadiação Hawking). Esta radiação pode escapar do buraco negro devido à formação de pares "matéria-antimatéria" (por exemplo,elétronsepositrons) fora do horizonte de eventos e a emissão subsequente apenas dos membros positivos desses pares como radiação térmica.

Antes do lançamento dotelescópio espacial Hubbleem 1990, os astrônomos há muito se intrigavam com objetos muito distantes que eles chamaramquasares, uma compressão de "objetos quase estelares". Como buracos negros supermassivos, a existência dos quais foi descobertos mais tarde, esses objetos de alta energia girando rapidamente são encontrados nos centros de grandes galáxias. Os buracos negros são agora considerados as entidades que conduzem o comportamento dos quasares, que são encontrados apenas a distâncias enormes porque existiram na infância relativa do cosmos; sua luz está alcançando a Terra agora mesmo, após cerca de 13 bilhões de anos em trânsito.

Alguns astrofísicos propuseram que as galáxias que parecem ser de tipos básicos diferentes quando vistas da Terra podem na verdade ser do mesmo tipo, mas com lados diferentes delas apresentados em direção à Terra. Às vezes, a energia do quasar é visível e fornece uma espécie de efeito de "farol" em termos de como a Terra instrumentos registram a atividade do quasar, enquanto outras vezes as galáxias parecem mais "quietas" por causa de seus orientação.