O que é um buraco negro? Qual é o horizonte de eventos?

Questão: O que é um buraco negro?

O que é um buraco negro? Quando os buracos negros se formam? Os cientistas podem ver um buraco negro? Qual é o "horizonte de eventos" de um buraco negro?

Responda: Um buraco negro é uma entidade teórica prevista pelas equações de relatividade geral. Um buraco negro é formado quando uma estrela de massa suficiente sofre colapso gravitacional, com a maior parte ou toda a sua massa comprimido em uma área suficientemente pequena do espaço, causando uma infinita curvatura no espaço-tempo naquele ponto (um "singularidade"). Uma curvatura massiva no espaço-tempo não permite que nada, nem mesmo a luz, escape do "horizonte de eventos" ou fronteira.

Os buracos negros nunca foram observados diretamente, embora as previsões de seus efeitos correspondam às observações. Existem várias teorias alternativas, como os MECOs (Magnetospheric Collapsing Objects), para explicar essas observações, a maioria das quais evita o espaço-tempo singularidade no centro do buraco negro, mas a grande maioria dos físicos acredita que a explicação do buraco negro é a representação física mais provável do que é tomando lugar.

Nos anos 1700, houve quem propusesse que um objeto supermassivo pudesse atrair luz para ele. A óptica newtoniana era uma teoria corpuscular da luz, tratando a luz como partículas.

John Michell publicou um artigo em 1784 prevendo que um objeto com um raio de 500 vezes o do sol (mas com a mesma densidade) teria uma velocidade de escape de A velocidade da luz em sua superfície e, portanto, seja invisível. O interesse pela teoria morreu no século XX, no entanto, à medida que a teoria das ondas da luz se destacava.

Quando raramente referenciadas na física moderna, essas entidades teóricas são chamadas de "estrelas escuras" para distingui-las dos verdadeiros buracos negros.

Meses depois da publicação da relatividade geral de Einstein em 1916, o físico Karl Schwartzchild produziu uma solução para a equação de Einstein para uma massa esférica (chamada de Métrica de Schwartzchild)... com resultados inesperados.

O termo que expressa o raio tinha uma característica perturbadora. Parecia que, por um certo raio, o denominador do termo se tornaria zero, o que faria com que o termo "explodisse" matematicamente. Esse raio, conhecido como Raio de Schwartzchild, r_s, é definido como:

r_s = 2 GM/ c²

G é a constante gravitacional, M é a massa e c é a velocidade da luz.

Como o trabalho de Schwartzchild se mostrou crucial para a compreensão dos buracos negros, é uma coincidência estranha que o nome Schwartzchild traduza em "escudo preto".

Um objeto cuja massa inteira M encontra-se dentro r_s é considerado um buraco negro. Horizonte de eventos é o nome dado a r_s, porque a partir desse raio a velocidade de escape da gravidade do buraco negro é a velocidade da luz. Buracos negros atrair massa através de forças gravitacionais, mas nada dessa massa pode escapar.

Um buraco negro é frequentemente explicado em termos de um objeto ou massa "caindo" nele.

Y observa X cair em um buraco negro

• Y observa relógios idealizados em X desacelerando, congelando no tempo quando X bate r_s
• Y observa a luz do desvio para o vermelho X, atingindo o infinito em r_s (assim, X se torna invisível - ainda assim, de alguma forma, ainda podemos ver seus relógios. Não é física Teórica grande?)
• X percebe mudanças notáveis, em teoria, embora uma vez que atravesse r_s é impossível que ele escape da gravidade do buraco negro. (Mesmo a luz não pode escapar do horizonte de eventos.)

Na década de 1920, os físicos Subrahmanyan Chandrasekhar deduziram que qualquer estrela com mais massa do que 1,44 massa solar (a Limite de Chadrasekhar) deve entrar em colapso sob a relatividade geral. O físico Arthur Eddington acreditava que algumas propriedades impediriam o colapso. Ambos estavam certos, à sua maneira.

Robert Oppenheimer previu em 1939 que uma estrela supermassiva poderia entrar em colapso, formando uma "estrela congelada" na natureza, e não apenas na matemática. O colapso parece diminuir, na verdade congelando no tempo no ponto em que cruza r_s. A luz da estrela experimentaria uma pesada redshift às r_s.

Infelizmente, muitos físicos consideraram isso apenas uma característica da natureza altamente simétrica da Métrica de Schwartzchild, acreditando que, na natureza, esse colapso não ocorreria devido a assimetrias.

Não foi até 1967 - quase 50 anos após a descoberta de r_s - que físicos Stephen Hawking e Roger Penrose mostraram que os buracos negros não eram apenas um resultado direto da relatividade geral, mas também que não havia como deter esse colapso. A descoberta de pulsares apoiou essa teoria e, logo em seguida, o físico John Wheeler cunhou o termo "buraco negro" para o fenômeno em uma palestra de 29 de dezembro de 1967.

Trabalhos subseqüentes incluíram a descoberta de Radiação Hawking, em que os buracos negros podem emitir radiação.

Buracos negros são um campo que atrai teóricos e experimentadores que querem um desafio. Hoje, existe um consenso quase universal de que os buracos negros existem, embora sua natureza exata ainda esteja em questão. Alguns acreditam que o material que cai nos buracos negros pode reaparecer em outro lugar do universo, como no caso de um buraco de minhoca.

Uma adição significativa à teoria dos buracos negros é a de Radiação Hawking, desenvolvido pelo físico britânico Stephen Hawking em 1974.