Um buraco negro na física é definido como uma região no espaço-tempo, cuja atração gravitacional é tão forte que mesmo objetos que se movem na velocidade da luz, incluindo os próprios quanta de luz, não podem deixá-la. O limite desta região é chamado de horizonte de eventos, e seu tamanho característico é chamado de raio gravitacional, que é chamado de raio da Floresta Negra. Os buracos negros são os objetos mais misteriosos do universo. Eles devem seu nome infeliz ao astrofísico americano John Wheeler. Foi ele quem, em uma palestra popular "Nosso Universo: Conhecido e Desconhecido" em 1967, chamou esses corpos superdensos de buracos. Anteriormente, esses objetos eram chamados de "estrelas colapsadas" ou "colapsadores". Mas o termo "buraco negro" criou raízes e tornou-se simplesmente impossível mudá-lo. Existem dois tipos de buracos negros no Universo: 1 - buracos negros supermassivos, cuja massa é milhões de vezes maior que a massa do Sol (acredita-se que tais objetos estejam localizados nos centros das galáxias); 2 - buracos negros menos massivos, que surgem como resultado da compressão de estrelas gigantes moribundas, sua massa é mais de três vezes a massa do Sol; à medida que a estrela se contrai, a matéria torna-se cada vez mais densa e, como resultado, a gravidade do objeto aumenta a tal ponto que a luz não pode superá-la. Nem radiação nem matéria podem escapar de um buraco negro. Os buracos negros são gravitadores superpoderosos.

O raio ao qual uma estrela deve encolher para se transformar em um buraco negro é chamado de raio gravitacional. Para buracos negros formados a partir de estrelas, são apenas algumas dezenas de quilômetros. Em alguns pares de estrelas binárias, uma delas é invisível ao telescópio mais poderoso, mas a massa do componente invisível em tal sistema gravitacional acaba sendo extremamente grande. Muito provavelmente, esses objetos são estrelas de nêutrons ou buracos negros. Às vezes, componentes invisíveis em tais pares arrancam matéria de uma estrela normal. Nesse caso, o gás é separado das camadas externas da estrela visível e cai em um lugar desconhecido - em um buraco negro invisível. Mas antes de cair no buraco, o gás emite ondas eletromagnéticas de vários comprimentos de onda, incluindo ondas de raios-X muito curtas. Além disso, perto de uma estrela de nêutrons ou de um buraco negro, o gás se torna muito quente e se torna uma fonte de radiação eletromagnética de alta energia nas faixas de raios X e gama. Essa radiação não passa pela atmosfera terrestre, mas pode ser observada usando telescópios espaciais. Um dos prováveis ​​candidatos a buracos negros é considerado uma poderosa fonte de raios-X na constelação de Cygnus.

Toda pessoa que se familiariza com a astronomia, mais cedo ou mais tarde, experimenta uma forte curiosidade sobre os objetos mais misteriosos do universo - os buracos negros. Estes são os verdadeiros mestres das trevas, capazes de "engolir" qualquer átomo que passe por perto e não deixar nem a luz escapar - sua atração é tão poderosa. Esses objetos representam um verdadeiro desafio para físicos e astrônomos. Os primeiros ainda não conseguem entender o que acontece com a matéria que caiu dentro do buraco negro, e os segundos, embora expliquem os fenômenos mais intensivos em energia do espaço pela existência de buracos negros, nunca tiveram a oportunidade de observar nenhum deles. diretamente. Vamos falar sobre esses objetos celestes mais interessantes, descobrir o que já foi descoberto e o que resta saber para levantar o véu do sigilo.

O que é um buraco negro?

O nome "buraco negro" (em inglês - buraco negro) foi proposto em 1967 pelo físico teórico americano John Archibald Wheeler (veja a foto à esquerda). Serviu para designar um corpo celeste, cuja atração é tão forte que nem mesmo a luz se solta. Portanto, é "preto" porque não emite luz.

observações indiretas

Esta é a razão de tanto mistério: como os buracos negros não brilham, não podemos vê-los diretamente e somos obrigados a procurá-los e estudá-los, usando apenas evidências indiretas de que sua existência deixa no espaço circundante. Em outras palavras, se um buraco negro engole uma estrela, não podemos ver o buraco negro, mas podemos observar os efeitos devastadores de seu poderoso campo gravitacional.

A intuição de Laplace

Apesar do fato de que a expressão "buraco negro" para o hipotético estágio final da evolução de uma estrela que entrou em colapso sob a influência da gravidade apareceu há relativamente pouco tempo, a ideia da possibilidade da existência de tais corpos surgiu mais de dois séculos atrás. O inglês John Michell e o francês Pierre-Simon de Laplace formularam independentemente a hipótese da existência de "estrelas invisíveis"; enquanto eles se baseavam nas leis usuais da dinâmica e na lei da gravitação universal de Newton. Hoje, os buracos negros receberam sua descrição correta com base na teoria geral da relatividade de Einstein.

Em sua obra “Declaração do sistema do mundo” (1796), Laplace escreveu: “Uma estrela brilhante da mesma densidade que a Terra, com um diâmetro 250 vezes maior que o diâmetro do Sol, devido à sua atração gravitacional, não permitiria que os raios de luz chegassem até nós. Portanto, é possível que os corpos celestes maiores e mais brilhantes sejam invisíveis por esse motivo.

Gravidade Invencível

A ideia de Laplace baseava-se no conceito de velocidade de escape (segunda velocidade cósmica). Um buraco negro é um objeto tão denso que sua atração é capaz de retardar até a luz, que desenvolve a maior velocidade da natureza (quase 300.000 km/s). Na prática, para escapar de um buraco negro, você precisa de uma velocidade maior que a velocidade da luz, mas isso é impossível!

Isso significa que uma estrela desse tipo seria invisível, pois nem mesmo a luz seria capaz de superar sua poderosa gravidade. Einstein explicou esse fato através do fenômeno da deflexão da luz sob a influência de um campo gravitacional. Na realidade, perto de um buraco negro, o espaço-tempo é tão curvo que os caminhos dos raios de luz também se fecham. Para transformar o Sol em um buraco negro, teremos que concentrar toda a sua massa em uma bola com raio de 3 km, e a Terra terá que se transformar em uma bola com raio de 9 mm!

Tipos de buracos negros

Cerca de dez anos atrás, as observações sugeriam a existência de dois tipos de buracos negros: estelares, cuja massa é comparável à massa do Sol ou ligeiramente superior a ela, e supermassivos, cuja massa é de várias centenas de milhares a muitos milhões de massas solares. No entanto, relativamente recentemente, imagens de raios-X de alta resolução e espectros obtidos de satélites artificiais como Chandra e XMM-Newton trouxeram à tona o terceiro tipo de buraco negro - com uma massa média excedendo a massa do Sol em milhares de vezes .

Buracos negros estelares

Buracos negros estelares se tornaram conhecidos mais cedo do que outros. Eles se formam quando uma estrela de alta massa, no final de seu caminho evolutivo, fica sem combustível nuclear e colapsa em si mesma devido à sua própria gravidade. Uma explosão destruidora de estrelas (conhecida como “explosão de supernova”) tem consequências catastróficas: se o núcleo de uma estrela tiver mais de 10 vezes a massa do Sol, nenhuma força nuclear pode resistir ao colapso gravitacional que resultará no aparecimento de um buraco negro.

Buracos negros supermassivos

Buracos negros supermassivos, observados pela primeira vez nos núcleos de algumas galáxias ativas, têm uma origem diferente. Existem várias hipóteses sobre o seu nascimento: um buraco negro estelar que devora todas as estrelas que o rodeiam durante milhões de anos; um aglomerado mesclado de buracos negros; uma colossal nuvem de gás colapsando diretamente em um buraco negro. Esses buracos negros estão entre os objetos mais energéticos do espaço. Eles estão localizados nos centros de muitas galáxias, se não todas. Nossa galáxia também tem um buraco negro. Às vezes, devido à presença desse buraco negro, os núcleos dessas galáxias ficam muito brilhantes. Galáxias com buracos negros no centro, cercadas por uma grande quantidade de matéria em queda e, portanto, capazes de produzir uma enorme quantidade de energia, são chamadas de "ativas", e seus núcleos são chamados de "núcleos galácticos ativos" (AGN). Por exemplo, quasares (os objetos espaciais mais distantes de nós disponíveis para nossa observação) são galáxias ativas, nas quais vemos apenas um núcleo muito brilhante.

Médio e "mini"

Outro mistério permanece os buracos negros de massa média, que, de acordo com estudos recentes, podem estar no centro de alguns aglomerados globulares, como M13 e NCC 6388. Muitos astrônomos são céticos sobre esses objetos, mas algumas pesquisas recentes sugerem a presença de buracos negros de tamanho médio, mesmo não muito longe do centro da nossa Galáxia. O físico inglês Stephen Hawking também apresentou uma suposição teórica sobre a existência do quarto tipo de buraco negro - um "mini-buraco" com uma massa de apenas um bilhão de toneladas (que é aproximadamente igual à massa de uma grande montanha). Estamos falando de objetos primários, ou seja, aqueles que surgiram nos primeiros momentos da vida do Universo, quando a pressão ainda era muito alta. No entanto, nenhum vestígio de sua existência ainda foi descoberto.

Como encontrar um buraco negro

Apenas alguns anos atrás, uma luz se acendeu sobre os buracos negros. Graças aos instrumentos e tecnologias em constante aperfeiçoamento (tanto terrestres quanto espaciais), esses objetos estão se tornando cada vez menos misteriosos; mais precisamente, o espaço que os cerca torna-se menos misterioso. De fato, como o próprio buraco negro é invisível, só podemos reconhecê-lo se estiver cercado por matéria suficiente (estrelas e gás quente) orbitando-o a uma pequena distância.

Observando sistemas duplos

Alguns buracos negros estelares foram descobertos observando o movimento orbital de uma estrela em torno de uma companheira binária invisível. Sistemas binários próximos (isto é, constituídos por duas estrelas muito próximas uma da outra), em que uma das companheiras é invisível, são um objeto de observação favorito dos astrofísicos à procura de buracos negros.

Um indício da presença de um buraco negro (ou estrela de nêutrons) é a forte emissão de raios X, causada por um mecanismo complexo, que pode ser esquematicamente descrito a seguir. Devido à sua poderosa gravidade, um buraco negro pode arrancar matéria de uma estrela companheira; esse gás é distribuído na forma de um disco achatado e cai em espiral no buraco negro. O atrito resultante de colisões de partículas de gás em queda aquece as camadas internas do disco a vários milhões de graus, o que causa uma poderosa emissão de raios-X.

Observações de raios-X

Observações em raios-X de objetos em nossa Galáxia e galáxias vizinhas, realizadas há várias décadas, permitiram detectar fontes binárias compactas, cerca de uma dúzia das quais são sistemas contendo candidatos a buracos negros. O principal problema é determinar a massa de um corpo celeste invisível. O valor da massa (embora não muito preciso) pode ser encontrado estudando o movimento do companheiro ou, o que é muito mais difícil, medindo a intensidade de raios X da matéria incidente. Esta intensidade está ligada por uma equação com a massa do corpo em que esta substância cai.

Prêmio Nobel

Algo semelhante pode ser dito sobre os buracos negros supermassivos observados nos núcleos de muitas galáxias, cujas massas são estimadas medindo-se as velocidades orbitais do gás que cai no buraco negro. Neste caso, causado por um poderoso campo gravitacional de um objeto muito grande, um rápido aumento na velocidade das nuvens de gás que orbitam no centro das galáxias é revelado por observações na faixa de rádio, bem como em feixes ópticos. Observações na faixa de raios-X podem confirmar o aumento da liberação de energia causada pela queda da matéria no buraco negro. A pesquisa em raios X no início da década de 1960 foi iniciada pelo italiano Riccardo Giacconi, que trabalhava nos EUA. Ele recebeu o Prêmio Nobel em 2002 em reconhecimento às suas "contribuições inovadoras à astrofísica que levaram à descoberta de fontes de raios X no espaço".

Cygnus X-1: o primeiro candidato

Nossa galáxia não está imune à presença de objetos candidatos a buracos negros. Felizmente, nenhum desses objetos está perto o suficiente de nós para representar um perigo para a existência da Terra ou do sistema solar. Apesar do grande número de fontes compactas de raios-X notadas (e esses são os candidatos mais prováveis ​​para encontrar buracos negros lá), não temos certeza de que eles realmente contenham buracos negros. A única entre essas fontes que não possui uma versão alternativa é o binário próximo Cygnus X-1, ou seja, a fonte de raios X mais brilhante da constelação Cygnus.

estrelas massivas

Este sistema, com um período orbital de 5,6 dias, consiste em uma estrela azul muito brilhante de grande tamanho (seu diâmetro é 20 vezes o do Sol e sua massa é cerca de 30 vezes), facilmente distinguível mesmo em seu telescópio, e um segunda estrela invisível, a massa que é estimada em várias massas solares (até 10). Localizada a uma distância de 6500 anos-luz de nós, a segunda estrela seria perfeitamente visível se fosse uma estrela comum. Sua invisibilidade, os poderosos raios-X do sistema e, finalmente, sua estimativa de massa levam a maioria dos astrônomos a acreditar que esta é a primeira descoberta confirmada de um buraco negro estelar.

Dúvidas

No entanto, também há céticos. Entre eles está um dos maiores pesquisadores de buracos negros, o físico Stephen Hawking. Ele até fez uma aposta com seu colega americano Keel Thorne, um forte defensor da classificação do Cygnus X-1 como um buraco negro.

A disputa sobre a natureza do objeto Cygnus X-1 não é a única aposta de Hawking. Tendo dedicado várias décadas a estudos teóricos de buracos negros, ele se convenceu da falácia de suas idéias anteriores sobre esses objetos misteriosos. Em particular, Hawking assumiu que a matéria depois de cair em um buraco negro desaparece para sempre e, com ela, toda a sua bagagem informativa desaparece . Ele tinha tanta certeza disso que fez uma aposta nesse assunto em 1997 com seu colega americano John Preskill.

Admitindo um erro

Em 21 de julho de 2004, em seu discurso no Relativity Congress em Dublin, Hawking admitiu que Preskill estava certo. Os buracos negros não levam ao desaparecimento completo da matéria. Além disso, eles têm um certo tipo de "memória". Dentro deles podem estar armazenados vestígios do que eles absorveram. Assim, ao “evaporar” (ou seja, emitindo radiação lentamente devido ao efeito quântico), eles podem devolver essa informação ao nosso Universo.

Buracos negros na galáxia

Os astrônomos ainda têm muitas dúvidas sobre a presença de buracos negros estelares em nossa Galáxia (como o que pertence ao sistema binário Cygnus X-1); mas há muito menos dúvidas sobre buracos negros supermassivos.

No centro

Existe pelo menos um buraco negro supermassivo em nossa galáxia. Sua fonte, conhecida como Sagitário A*, está localizada precisamente no centro do plano da Via Láctea. Seu nome é explicado pelo fato de ser a fonte de rádio mais poderosa da constelação de Sagitário. É nessa direção que estão localizados os centros geométricos e físicos do nosso sistema galáctico. Localizado a uma distância de cerca de 26.000 anos-luz de nós, um buraco negro supermassivo associado à fonte de ondas de rádio Sagitário A*, tem uma massa estimada em cerca de 4 milhões de massas solares, contida em um espaço cujo volume é comparável ao volume do sistema solar. Sua relativa proximidade de nós (este buraco negro supermassivo é sem dúvida o mais próximo da Terra) fez com que o objeto ficasse sob escrutínio particularmente profundo pelo observatório espacial Chandra nos últimos anos. Descobriu-se, em particular, que também é uma poderosa fonte de raios-X (mas não tão poderosa quanto as fontes em núcleos galácticos ativos). Sagitário A* pode ser o remanescente adormecido do que era o núcleo ativo da nossa galáxia milhões ou bilhões de anos atrás.

Segundo buraco negro?

No entanto, alguns astrônomos acreditam que há outra surpresa em nossa galáxia. Estamos falando de um segundo buraco negro de massa média, mantendo um aglomerado de estrelas jovens e não permitindo que elas caiam em um buraco negro supermassivo localizado no centro da própria Galáxia. Como pode ser que a uma distância de menos de um ano-luz dele possa haver um aglomerado estelar com uma idade que mal chegou a 10 milhões de anos, ou seja, pelos padrões astronômicos, muito jovem? De acordo com os pesquisadores, a resposta está no fato de que o aglomerado não nasceu ali (o ambiente ao redor do buraco negro central é muito hostil para a formação de estrelas), mas foi “atraído” para lá devido à existência de um segundo buraco negro em seu interior. ele, que tem uma massa de valores médios.

Em órbita

As estrelas individuais do aglomerado, atraídas pelo buraco negro supermassivo, começaram a se deslocar em direção ao centro galáctico. No entanto, em vez de serem dispersos no espaço, eles permanecem reunidos devido à atração de um segundo buraco negro localizado no centro do aglomerado. A massa deste buraco negro pode ser estimada a partir de sua capacidade de manter um aglomerado estelar inteiro "na coleira". Um buraco negro de tamanho médio parece girar em torno do buraco negro central em cerca de 100 anos. Isso significa que observações de longo prazo ao longo de muitos anos nos permitirão "ver" isso.

O conceito de buraco negro é conhecido por todos - de crianças em idade escolar a idosos, é usado na literatura científica e de ficção, na mídia amarela e em conferências científicas. Mas nem todo mundo sabe exatamente o que são esses buracos.

Da história dos buracos negros

1783 A primeira hipótese para a existência de um fenômeno como um buraco negro foi apresentada em 1783 pelo cientista inglês John Michell. Em sua teoria, ele combinou duas criações de Newton - óptica e mecânica. A ideia de Michell era esta: se a luz é um fluxo de partículas minúsculas, então, como todos os outros corpos, as partículas deveriam experimentar a atração de um campo gravitacional. Acontece que quanto mais massiva a estrela, mais difícil é para a luz resistir à sua atração. 13 anos depois de Michell, o astrônomo e matemático francês Laplace apresentou (provavelmente independentemente de seu colega britânico) uma teoria semelhante.

1915 No entanto, todas as suas obras permaneceram não reclamadas até o início do século 20. Em 1915, Albert Einstein publicou a Teoria Geral da Relatividade e mostrou que a gravidade é uma curvatura do espaço-tempo causada pela matéria e, alguns meses depois, o astrônomo e físico teórico alemão Karl Schwarzschild a usou para resolver um problema astronômico específico. Ele explorou a estrutura do espaço-tempo curvo ao redor do Sol e redescobriu o fenômeno dos buracos negros.

(John Wheeler cunhou o termo "buracos negros")

1967 O físico americano John Wheeler esboçou um espaço que pode ser amassado, como um pedaço de papel, em um ponto infinitesimal e designou o termo "Buraco Negro".

1974 O físico britânico Stephen Hawking provou que os buracos negros, embora engulam matéria sem retorno, podem emitir radiação e eventualmente evaporar. Este fenômeno é chamado de "radiação Hawking".

2013 As últimas pesquisas sobre pulsares e quasares, bem como a descoberta da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, finalmente tornaram possível descrever o próprio conceito de buracos negros. Em 2013, a nuvem de gás G2 chegou muito perto do buraco negro e provavelmente será absorvida por ele, observar o processo único oferece grandes oportunidades para novas descobertas das características dos buracos negros.

(Objeto massivo Sagitário A *, sua massa é 4 milhões de vezes maior que a do Sol, o que implica um aglomerado de estrelas e a formação de um buraco negro)

2017. Um grupo de cientistas da colaboração do Event Horizon Telescope de vários países, ligando oito telescópios de diferentes pontos dos continentes da Terra, realizou observações de um buraco negro, que é um objeto supermassivo e está localizado na galáxia M87, a constelação de Virgem. A massa do objeto é de 6,5 bilhões (!) de massas solares, gigantescas vezes maior que o objeto massivo Sagitário A *, para comparação, o diâmetro é um pouco menor que a distância do Sol a Plutão.

As observações foram realizadas em várias etapas, a partir da primavera de 2017 e durante os períodos de 2018. A quantidade de informação foi calculada em petabytes, que então tiveram que ser decifrados e obtida uma imagem genuína de um objeto ultradistante. Portanto, levou mais dois anos inteiros para pré-digitalizar todos os dados e combiná-los em um todo.

2019 Os dados foram decodificados com sucesso e trazidos à vista, produzindo a primeira imagem de um buraco negro.

(A primeira imagem de um buraco negro na galáxia M87 na constelação de Virgem)

A resolução da imagem permite que você veja a sombra do ponto sem retorno no centro do objeto. A imagem foi obtida como resultado de observações interferométricas com uma linha de base extra longa. São as chamadas observações síncronas de um objeto de vários radiotelescópios, interligados por uma rede e localizados em diferentes partes do globo, direcionados em uma direção.

O que são realmente os buracos negros?

Uma explicação lacônica do fenômeno soa assim.

Um buraco negro é uma região do espaço-tempo cuja atração gravitacional é tão forte que nenhum objeto, incluindo quanta de luz, pode deixá-la.

Um buraco negro já foi uma estrela massiva. Enquanto as reações termonucleares mantiverem alta pressão em suas entranhas, tudo permanecerá normal. Mas com o tempo, o suprimento de energia se esgota e o corpo celeste, sob a influência de sua própria gravidade, começa a encolher. O estágio final desse processo é o colapso do núcleo estelar e a formação de um buraco negro.

• 1. Ejeção de um jato de buraco negro em alta velocidade


• 2. Um disco de matéria cresce em um buraco negro


• 3. Buraco negro


• 4. Esquema detalhado da região do buraco negro


• 5. Tamanho das novas observações encontradas

A teoria mais comum diz que existem fenômenos semelhantes em todas as galáxias, inclusive no centro da nossa Via Láctea. A enorme gravidade do buraco é capaz de conter várias galáxias ao seu redor, impedindo que elas se afastem umas das outras. A "área de cobertura" pode ser diferente, tudo depende da massa da estrela que se transformou em um buraco negro, podendo ter milhares de anos-luz.

Raio de Schwarzschild

A principal propriedade de um buraco negro é que qualquer matéria que entra nele nunca pode retornar. O mesmo se aplica à luz. Em seu núcleo, os buracos são corpos que absorvem completamente toda a luz que incide sobre eles e não emitem a sua própria. Tais objetos podem aparecer visualmente como coágulos de escuridão absoluta.

• 1. Matéria em movimento a metade da velocidade da luz


• 2. Anel de fótons


• 3. Anel de fóton interno


• 4. O horizonte de eventos em um buraco negro

Com base na Teoria Geral da Relatividade de Einstein, se um corpo se aproxima de uma distância crítica do centro do buraco, ele não pode mais retornar. Essa distância é chamada de raio de Schwarzschild. O que exatamente acontece dentro desse raio não é conhecido com certeza, mas existe a teoria mais comum. Acredita-se que toda a matéria de um buraco negro esteja concentrada em um ponto infinitamente pequeno, e em seu centro haja um objeto de densidade infinita, que os cientistas chamam de perturbação singular.

Como ele cai em um buraco negro

(Na foto, o buraco negro de Sagitário A* parece um aglomerado de luz extremamente brilhante)

Não faz muito tempo, em 2011, os cientistas descobriram uma nuvem de gás, dando-lhe o nome simples de G2, que emite uma luz incomum. Tal brilho pode dar atrito no gás e na poeira, causado pela ação do buraco negro Sagitário A* e que gira em torno dele na forma de um disco de acreção. Assim, tornamo-nos observadores do espantoso fenómeno da absorção de uma nuvem de gás por um buraco negro supermassivo.

De acordo com estudos recentes, a aproximação mais próxima de um buraco negro ocorrerá em março de 2014. Podemos recriar uma imagem de como esse emocionante espetáculo se desenrolará.

• 1. Quando aparece pela primeira vez nos dados, uma nuvem de gás se assemelha a uma enorme bola de gás e poeira.


• 2. Agora, em junho de 2013, a nuvem está a dezenas de bilhões de quilômetros de distância do buraco negro. Ele cai nele a uma velocidade de 2500 km / s.


• 3. Espera-se que a nuvem passe pelo buraco negro, mas as forças de maré causadas pela diferença de atração atuando nas bordas dianteira e traseira da nuvem farão com que ela se torne cada vez mais alongada.


• 4. Depois que a nuvem é quebrada, a maior parte dela provavelmente se juntará ao disco de acreção ao redor de Sagitário A*, gerando ondas de choque nele. A temperatura vai subir para vários milhões de graus.


• 5. Parte da nuvem cairá diretamente no buraco negro. Ninguém sabe exatamente o que acontecerá com essa substância, mas espera-se que, no processo de queda, ela emita poderosos fluxos de raios-X, e ninguém mais a verá.

Vídeo: buraco negro engole uma nuvem de gás

(Simulação de computador de quanto da nuvem de gás G2 será destruída e consumida pelo buraco negro Sagitário A*)

O que há dentro de um buraco negro

Existe uma teoria que afirma que um buraco negro em seu interior está praticamente vazio, e toda a sua massa está concentrada em um ponto incrivelmente pequeno localizado em seu centro - uma singularidade.

De acordo com outra teoria que existe há meio século, tudo o que cai em um buraco negro vai para outro universo localizado no próprio buraco negro. Agora esta teoria não é a principal.

E há uma terceira teoria, mais moderna e tenaz, segundo a qual tudo o que cai em um buraco negro se dissolve nas vibrações das cordas em sua superfície, que é designada como horizonte de eventos.

Então, qual é o horizonte de eventos? É impossível olhar dentro de um buraco negro mesmo com um telescópio superpoderoso, pois mesmo a luz, entrando em um funil cósmico gigante, não tem chance de emergir de volta. Tudo o que pode ser considerado de alguma forma está em sua vizinhança imediata.

O horizonte de eventos é uma linha condicional da superfície sob a qual nada (nem gás, nem poeira, nem estrelas, nem luz) pode escapar. E este é o ponto de não retorno muito misterioso nos buracos negros do Universo.

Em 10 de abril, uma equipe de astrofísicos do projeto Event Horizon Telescope divulgou a primeira imagem de um buraco negro. Esses objetos espaciais gigantescos, mas invisíveis, ainda estão entre os mais misteriosos e intrigantes do nosso universo.

Leia abaixo

O que é um buraco negro?

Um buraco negro é um objeto (região no espaço-tempo) cuja gravidade é tão forte que atrai todos os objetos conhecidos, incluindo aqueles que se movem na velocidade da luz. Os quanta da própria luz também não podem sair dessa área, então o buraco negro é invisível. Você só pode observar ondas eletromagnéticas, radiação e distorções do espaço ao redor do buraco negro. Publicada pelo Event Horizon Telescope, esta imagem mostra o horizonte de eventos de um buraco negro, a borda de uma área de gravidade superforte emoldurada por um disco de acreção, a matéria luminosa sugada para dentro do buraco.

O termo "buraco negro" surgiu em meados do século 20, foi introduzido pelo físico teórico americano John Archibald Wheeler. Ele usou o termo pela primeira vez em uma conferência científica em 1967.

No entanto, suposições sobre a existência de objetos tão massivos que nem a luz pode superar sua força de atração foram apresentadas já no século XVIII. A teoria moderna dos buracos negros começou a tomar forma dentro da estrutura da teoria geral da relatividade. Curiosamente, o próprio Albert Einstein não acreditava na existência de buracos negros.

De onde vêm os buracos negros?

Os cientistas acreditam que os buracos negros têm origens diferentes. Estrelas massivas se tornam um buraco negro no final de suas vidas: ao longo de bilhões de anos, a composição dos gases e a temperatura neles mudam, o que leva a um desequilíbrio entre a gravidade da estrela e a pressão dos gases quentes. Então a estrela colapsa: seu volume diminui, mas como a massa não muda, a densidade aumenta. Um buraco negro de massa estelar típico tem um raio de 30 quilômetros e uma densidade de mais de 200 milhões de toneladas por centímetro cúbico. Para comparação: para a Terra se tornar um buraco negro, seu raio deve ser de 9 milímetros.

Existe outro tipo de buraco negro, o buraco negro supermassivo que forma o núcleo da maioria das galáxias. Sua massa é um bilhão de vezes maior que a massa dos buracos negros estelares. A origem dos buracos negros supermassivos é desconhecida, mas a hipótese é que eles já foram buracos negros de massa estelar que cresceram engolindo outras estrelas.

Há também a controversa ideia da existência de buracos negros primordiais, que poderiam ter surgido a partir da compressão de qualquer massa no início da existência do Universo. Além disso, há uma suposição de que buracos negros muito pequenos com massa próxima à massa de partículas elementares são formados no Grande Colisor de Hádrons. No entanto, ainda não há confirmação desta versão.

Um buraco negro engolirá nossa galáxia?

No centro da Via Láctea existe um buraco negro Sagitário A*. Sua massa é quatro milhões de vezes a do sol, e seu tamanho de 25 milhões de quilômetros é aproximadamente igual ao diâmetro de 18 sóis. Essas escalas levam alguns a se perguntar: um buraco negro está ameaçando toda a nossa galáxia? Não apenas os escritores de ficção científica têm fundamentos para tais suposições: há alguns anos, cientistas relataram sobre a galáxia W22460526, localizada a 12,5 bilhões de anos-luz do nosso planeta. De acordo com a descrição dos astrônomos, localizado no centro de W22460526, o buraco negro supermassivo está gradualmente destruindo-o, e a radiação resultante desse processo acelera nuvens gigantes quentes de gás em todas as direções. Uma galáxia dilacerada por um buraco negro brilha mais do que 300 trilhões de sóis.

No entanto, nada do tipo ameaça nossa galáxia (pelo menos no curto prazo). A maioria dos objetos na Via Láctea, incluindo o sistema solar, está muito longe de um buraco negro para sentir sua atração. Além disso, o "nosso" buraco negro não absorve todo o material como um aspirador de pó, mas atua apenas como uma âncora gravitacional para um grupo de estrelas em órbita ao seu redor - como o Sol para os planetas.

No entanto, mesmo que um dia ultrapassemos o horizonte de eventos de um buraco negro, provavelmente nem perceberemos isso.

O que acontece se você "cair" em um buraco negro?

Um objeto puxado por um buraco negro provavelmente não poderá retornar de lá. Para superar a gravidade de um buraco negro, você precisa desenvolver uma velocidade maior que a velocidade da luz, mas a humanidade ainda não sabe como isso pode ser feito.

O campo gravitacional em torno de um buraco negro é muito forte e não uniforme, então todos os objetos próximos a ele mudam de forma e estrutura. O lado do objeto que está mais próximo do horizonte de eventos é atraído com mais força e cai com mais aceleração, então todo o objeto é esticado, ficando como uma massa. Este fenômeno foi descrito em seu livro Uma Breve História do Tempo pelo famoso físico teórico Stephen Hawking. Mesmo antes de Hawking, os astrofísicos chamavam esse fenômeno de espaguetificação.

Se você descrever a espaguetificação do ponto de vista de um astronauta que voou até o buraco negro com os pés primeiro, então o campo gravitacional apertará suas pernas e depois esticará e rasgará o corpo, transformando-o em um fluxo de partículas subatômicas.

Do lado de fora, é impossível ver a queda no buraco negro, pois absorve luz. Um observador externo verá apenas que um objeto que se aproxima de um buraco negro diminui gradualmente a velocidade e depois para completamente. Depois disso, a silhueta do objeto ficará cada vez mais borrada, ficará vermelha e, finalmente, desaparecerá para sempre.

De acordo com Stephen Hawking, todos os objetos atraídos por um buraco negro permanecem no horizonte de eventos. Segue-se da teoria da relatividade que perto de um buraco negro, o tempo desacelera até parar, então para alguém que cai, a queda em um buraco negro em si pode nunca acontecer.

O que há dentro?

Por razões óbvias, atualmente não há uma resposta confiável para essa pergunta. No entanto, os cientistas concordam que as leis da física que nos são familiares não se aplicam mais dentro de um buraco negro. De acordo com uma das hipóteses mais excitantes e exóticas, o continuum espaço-tempo em torno de um buraco negro é tão distorcido que um buraco se forma na própria realidade, que pode ser um portal para outro universo ou um chamado buraco de minhoca.

Buracos negros: os objetos mais misteriosos do universo

Buracos negros, matéria escura, matéria escura... Esses são, sem dúvida, os objetos mais estranhos e misteriosos do espaço. Suas propriedades bizarras podem desafiar as leis da física no universo e até mesmo a natureza da realidade existente. Para entender o que são os buracos negros, os cientistas se oferecem para “mudar pontos de referência”, aprender a pensar fora da caixa e aplicar um pouco de imaginação. Os buracos negros são formados a partir dos núcleos de estrelas supermassivas, que podem ser descritas como uma região do espaço onde uma enorme massa se concentra no vazio, e nada, nem mesmo a luz, consegue escapar da atração gravitacional ali existente. Esta é a área onde a segunda velocidade espacial excede a velocidade da luz: e quanto mais massivo o objeto em movimento, mais rápido ele deve se mover para se livrar de sua gravidade. Isso é conhecido como a segunda velocidade de escape.

A Enciclopédia Collier chama de buraco negro uma região no espaço que surgiu como resultado de um colapso gravitacional completo da matéria, na qual a atração gravitacional é tão forte que nem a matéria, nem a luz, nem outros portadores de informação podem deixá-la. Portanto, o interior de um buraco negro não tem relação causal com o resto do universo; processos físicos que ocorrem dentro de um buraco negro não podem afetar processos fora dele. Um buraco negro é cercado por uma superfície com a propriedade de uma membrana unidirecional: matéria e radiação caem livremente através dele para dentro do buraco negro, mas nada pode escapar dele. Esta superfície é chamada de "horizonte de eventos".

Histórico de descobertas

Os buracos negros, previstos pela teoria geral da relatividade (a teoria da gravidade proposta por Einstein em 1915) e outras teorias mais modernas da gravidade, foram matematicamente fundamentadas por R. Oppenheimer e H. Snyder em 1939. Mas as propriedades do espaço e do tempo nas proximidades desses objetos acabou sendo tão incomum, que os astrônomos e físicos não os levaram a sério por 25 anos. No entanto, descobertas astronômicas em meados da década de 1960 nos forçaram a olhar para os buracos negros como uma possível realidade física. Novas descobertas e explorações podem mudar fundamentalmente nossa compreensão do espaço e do tempo, lançando luz sobre bilhões de mistérios cósmicos.

Formação de buracos negros

Enquanto as reações termonucleares ocorrem no interior da estrela, elas mantêm alta temperatura e pressão, evitando que a estrela entre em colapso sob a influência de sua própria gravidade. No entanto, com o tempo, o combustível nuclear se esgota e a estrela começa a encolher. Os cálculos mostram que, se a massa de uma estrela não exceder três massas solares, ela vencerá a “batalha com a gravidade”: seu colapso gravitacional será interrompido pela pressão da matéria “degenerada” e a estrela se transformará para sempre em um anã branca ou estrela de nêutrons. Mas se a massa de uma estrela for superior a três solares, nada poderá impedir seu colapso catastrófico e ela rapidamente passará pelo horizonte de eventos, tornando-se um buraco negro.

Um buraco negro é um buraco de rosquinha?

Qualquer coisa que não emite luz é difícil de ver. Uma maneira de procurar um buraco negro é procurar áreas no espaço sideral que tenham muita massa e estejam no espaço escuro. Ao procurar esses tipos de objetos, os astrônomos os encontraram em duas áreas principais: nos centros das galáxias e em sistemas estelares binários em nossa galáxia. No total, como sugerem os cientistas, existem dezenas de milhões desses objetos.