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Atualidades Física

Buracos Negros: Um Guia Completo para Iniciantes

Buracos Negros são regiões no espaço onde a atração gravitacional é tão intensa que nem mesmo a luz consegue escapar. Confira aqui a Física por trás destes corpos celestes tão magníficos!

Autor Representação de uma pessoa Denis Data Representação de um calendário 13/05/2019 Tempo Representação de um relógio 12min  de leitura

Apesar do seu nome, os buracos negros não são regiões vazias no espaço. Muito pelo contrário, nelas está concentrada uma quantidade absurda de matéria.

Aliás, qualquer corpo, em teoria, pode se tornar um buraco negro. Para tal, é necessário apenas que ele possua uma densidade alta o suficiente, ou seja, uma grande quantidade de massa comprimida em um volume muito pequeno.

Para entender a magnitude dessa densidade, faça o seguinte experimento mental:

Imagine a massa total do planeta Terra, incluindo toda a sua composição, comprimida em uma esfera de raio 9 milímetros (de diâmetro 1,8 centímetros).

Se este fosse o raio real da Terra, nosso querido planeta seria tão denso que poderia ser considerado um miniburaco negro!

Independentemente de suas características específicas, todo buraco negro tem uma coisa em comum: eles geram uma imensa força atrativa, atraindo e consumindo toda matéria presente em seus arredores!

Tá, mas qual é a causa dessa força atrativa e por que ela é tão intensa?

Gravidade: A Grande Responsável pelos Buracos Negros!

Vamos começar do básico: O que é a gravidade?

Ela é uma das quatro forças fundamentais da natureza. Além dela, temos também a força eletromagnética e as forças nucleares forte e fraca.

A gravidade está presente em nossas vidas de diversas formas. É ela que nos retém presos ao chão, derruba nossos objetos e mantém a Terra em órbita ao redor do Sol.

Basicamente, a força gravitacional atua em todos os corpos que possuem massa, atraindo-os mutuamente. Essa atração depende de dois fatores:

  • A massa dos dois corpos envolvidos: Quanto mais massivos os corpos, maior a atração entre eles. Isso explica porque não notamos a atração gravitacional entre objetos em nossa vida cotidiana: a nossa massa e a massa desses objetos é muito pequena.

  • A distância entre os corpos: Quanto mais próximos entre si, maior a atração. É por isso que a Terra sente uma forte atração gravitacional do Sol, mas praticamente não sente atração de outras estrelas que se encontram a milhões de anos-luz de distância.

Dessa maneira fica fácil entender a força atrativa absurda dos buracos negros. Como vimos, eles possuem uma massa altíssima concentrada em um volume muito pequeno do espaço. Sendo assim, eles são capazes de atrair gravitacionalmente, com muita facilidade, qualquer corpo que possua massa.

Uma dúvida que muitas pessoas têm é: Existe algo que consiga escapar da atração gravitacional de um buraco negro? Para responder essa pergunta é necessário primeiro entender o conceito de velocidade de escape.

Velocidade de Escape em Buracos Negros

É denominada velocidade de escape a velocidade mínima que um objeto precisa adquirir para conseguir fugir da atração gravitacional de um corpo muito massivo.

Obviamente, quanto mais massivo o corpo gerador da força gravitacional e quanto mais próximo o objeto estiver deste corpo, maior a velocidade que ele precisa adquirir para poder se livrar dessa força atrativa.

Desconsiderando efeitos de resistência do ar (que reduzem a velocidade dos objetos), a velocidade de escape na superfície da Terra é de aproximadamente 40.270 km/h. Sendo assim, caso você queira atirar um objeto ao espaço, esta deve ser a velocidade inicial do lançamento. Podemos concordar que este é um feito praticamente impossível de ser realizado, certo?

No caso dos buracos negros, a velocidade de escape é tão alta que nem mesmo a luz ou qualquer outra forma de radiação consegue escapar.

A velocidade da luz no vácuo vale 300.000 km/s. Essa velocidade foi postulada por Albert Einstein em sua Teoria da Relatividade Restrita (1905) como o limite de velocidades na natureza, ou seja, nada pode ser mais veloz que isso.

Dessa forma, podemos concluir que, como nada é mais veloz que a luz, nada consegue escapar da atração gravitacional de um buraco negro.

Nesse ponto, uma dúvida que pode surgir é: Definimos anteriormente que a atração gravitacional só ocorre entre corpos que possuem massa, mas e a luz, ela tem massa?

A Atração da Luz e a Relatividade Geral

Como citado anteriormente, a velocidade da luz é a maior velocidade que um corpo consegue atingir. Porém, segundo Einstein, para que ele possa atingir tal velocidade, ele deve necessariamente possuir massa nula.

Sendo assim, podemos atestar que a luz não possui massa.

Tá, então como os buracos negros atraem a luz?

Para responder essa pergunta, precisamos de uma teoria da gravidade um pouco mais robusta do que a apresentada anteriormente.

A Teoria da Relatividade Geral de Einstein (1915) nos explica como isso é possível. Segundo ela, todo corpo massivo distorce o espaço ao seu redor.

Imagine que o espaço seja a superfície de uma cama elástica e um corpo massivo (a Terra, por exemplo) seja uma bola de boliche colocada sobre essa cama elástica. Nesse caso, o que acontece com a superfície da cama elástica? Ela será distorcida em torno da bola! E é exatamente isso que acontece com o espaço em torno de corpos massivos.

É essa distorção que mantém a Lua em órbita ao redor da Terra, por exemplo:

A Terra distorcendo o espaço ao seu redor e atraindo a Lua.

Esse efeito é também o responsável por atrair a luz aos buracos negros. Apesar de a luz não possuir massa, ela sofre influência dessas distorções espaciais, sendo sugada para o centro desses corpos.

De onde vem o nome “Buraco Negro”?

Um buraco negro, por ser tão massivo, causa uma deformação gigante no espaço (como podemos ver na figura abaixo), é por isso que os chamamos de buracos.

A distorção do espaço causada pelos buracos negros.

Mas e por que negros?

Pois só podemos observar as coisas de duas formas: Ou o objeto emite a luz que chega aos nossos olhos (por exemplo, as estrelas), ou a luz entra em contato com o objeto, é refletida e só então chega aos nossos olhos.

Como toda luz que entra em contato com um buraco negro não consegue escapar dele, nunca conseguiremos observar estes corpos. Para nossos olhos, eles são apenas regiões escuras do espaço.

Recentemente, pela primeira vez na história, cientistas conseguiram “fotografar” um buraco negro. O quê? Ainda não ficou sabendo disso?

A Primeira Imagem de um Buraco Negro

Em abril de 2019, astrônomos nos apresentaram a primeira imagem já registrada de um buraco negro:

O buraco negro em questão está localizado no centro da galáxia M87 (50 milhões de anos-luz de distância da Terra). Suas proporções são bizarras: ele tem 40 milhões de quilômetros de diâmetro, ou seja, 3 milhões de vezes o tamanho de nosso planeta. Além disso, sua massa é equivalente a 6,5 bilhões de sóis!

A imagem foi construída pelo projeto ‘Event Horizon Telescope‘. Esse é composto por 8 radiotelescópios espalhados por todo o mundo. Cada um dos telescópios foi responsável por uma fração da imagem final.

Tá, mas se os buracos são negros, como essa imagem foi feita? Para entender isso, precisamos conhecer as diferentes partes de um buraco negro.

As Partes dos Buracos Negros

Todo buraco negro pode ser dividido em três partes:

A fotografia de um buraco negro, onde são mostradas as partes essenciais de todos os buracos negros.
  • A Singularidade: É o centro do buraco negro, um ponto unidimensional onde a densidade e a gravidade se tornam infinitas. Acredita-se que, por possuir características tão extremas, nenhuma lei da física é válida na singularidade.

  • O Horizonte de Eventos: É a fronteira teórica, em torno da singularidade, a partir da qual a velocidade de escape é maior do que a velocidade da luz. Sendo assim, tudo que entra no horizonte de eventos é consumido pela singularidade. No entanto, fora do horizonte de eventos, a luz ainda é capaz de escapar da atração gravitacional.

  • O Disco de Acreção: Na prática, este não faz parte do buraco negro. É apenas um disco formado por gases superaquecidos que fica orbitando em torno do horizonte de eventos. No entanto, muitas vezes esse material acaba sendo consumido.

Os gases que compõem o disco de acreção orbitam em torno do buraco negro com velocidades imensas. Isso causa a emissão de raios X, e são esses raios X que conseguimos ver na famosa “fotografia” tirada e não o buraco negro em si.

Dessa forma, podemos concluir que a fotografia foi colorida artificialmente, já que raios X não possuem uma cor visível aos olhos humanos.

Tá, agora sabemos tudo sobre o comportamento dos buracos negros. Por fim, o que nos resta discutir é como ocorre a formação desses corpos celestes.

Formação e Tipos de Buraco Negro

Existem dois tipos de buracos negros e cada um deles é formado de uma maneira diferente:

  • Buraco negro estelar: São formados a partir de estrelas extremamente massivas (com massa equivalente a dezenas de sóis). Quando essas estrelas chegam ao fim de sua vida, elas explodem violentamente deixando apenas os seus núcleos para trás. Dessa maneira, esses núcleos, por serem extremamente densos, tornam-se buracos negros.

  • Buraco negro supermassivo: Não se sabe ao certo como esses corpos se formaram. A única coisa que podemos afirmar é que eles surgiram quando o universo ainda era jovem, logo após o Big Bang. Eles são encontrados apenas no centro de grandes galáxias (como na nossa Via Láctea, por exemplo) e suas massas são, em geral, equivalentes a milhões de sóis.

Chegou até aqui entendendo tudo? Parabéns! Você já pode se considerar um especialista em buracos negros. Em princípio, além do que já foi dito, restam apenas cálculos extremamente complexos que nem os próprios astrofísicos entendem direito.

Fique de olho! A Imagem do buraco negro ficou muito famosa, logo, a possibilidade de buracos negros aparecerem em questões do ENEM (e de vestibulares no geral) é bastante alta. Por isso, estude bastante conceitos como velocidade de escape, gravitação universal e teoria da relatividade.

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