Criação fotográfica computacional de um Buraco Negro.
O Que é um Buraco Negro?
De acordo com a Teoria da Relatividade Geral, um buraco negro é uma região do espaço da qual nada, nem mesmo partículas que se movem à velocidade da luz, podem escapar, pois a sua velocidade é inferior à velocidade de escape desses corpos celestes infinitamente densos. Este é o resultado da deformação do espaço-tempo, causada após o colapso gravitacional de uma estrela massiva com pelo menos 30 vezes a massa do Sol em uma supernova, e que logo depois, desaparecerá, dando lugar ao que a Física chama de singularidade, o coração de um buraco negro, onde espaço-tempo deixa de existir. Um buraco negro começa a partir de uma superfície esférica denominada horizonte de eventos, que marca a região a partir da qual, se algo a atravessar, não poderá regressar.O adjetivo negro em buraco negro se deve ao fato de que se presumia que este não refletia nenhuma parte da luz que venha atingir seu horizonte de eventos, atuando assim como se fosse um corpo negro perfeito em termodinâmica, porém, atualmente existe a teoria da radiação Hawking que, resumidamente, prevê que os buracos negros não são realmente negros, e emitem radiação devido a efeitos quânticos, tais como flutuações quânticas.
Acredita-se, também, com base na mecânica quântica, que os buracos negros emitam radiação térmica, da mesma forma que os corpos negros da termodinâmica a temperaturas finitas. Esta temperatura, entretanto, é inversamente proporcional à massa do buraco negro, de modo que observar a radiação térmica proveniente destes objetos torna-se difícil quando estes possuem massas comparáveis às das estrelas. Apesar de serem praticamente invisíveis, pode-se detectar um buraco negro pelo efeito de sua massa sobre o movimento de estrelas em uma dada região do espaço-tempo. Pode-se também detectar um buraco negro pela radiação emitida quando sua intensa atração gravitacional atrai a materia de uma estrela companheira, que se deforma em um anel giratório em torno do buraco negro, tal anel é chamado de disco de acreção. A matéria em rotação acelera a uma velocidade próxima a velocidade da luz, assim a mesma emite radiação por ser aquecida a altas temperaturas. No final de 2015, pesquisadores do projeto LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) observaram "distorções no espaço e no tempo" causadas por um par de buracos negros com trinta massas solares em processo de fusão. Stephen Hawking, em 2016, declarou que já não pensava mais que aquilo que é sugado para um buraco negro estaria completamente destruído, ele acreditava que poderia haver um caminho para sair de um buraco negro através de um outro universo.
Embora o conceito de buraco negro tenha surgido em bases teóricas, astrônomos têm identificado inúmeros candidatos a buracos negros estelares e também indícios da existência de buracos negros supermassivos no centro de galáxias. Mesmo com vários estudos e teorias, o buraco negro continua sendo um dos vários mistérios existentes ainda hoje. Há indícios de que no centro da própria Via Láctea, nas vizinhanças de Sagitário A*, deve haver um buraco negro com mais de 2 milhões de massas solares.
Imagem da Via Láctea e a possível existência de um Buraco Negro em seu centro.
História
A ideia de um corpo massivo do qual nada pode escapar foi tida primeiro pelo geólogo John Michell em uma carta escrita para Henry Cavendish em 1783 para a Royal Society:
Se um semidiâmetro de uma esfera da mesma densidade do sol esta além do sol em uma proporção de 500 vezes, um corpo caindo de uma altura infinita para ele teria adquirido em sua superfície maior velocidade que a da luz e, consequentemente, supondo-se que a luz seja atraída pela mesma força em proporção ao sua inércia com outros organismos, toda a luz emitida por um corpo como este retorna em direção a ele por sua própria gravidade adequada. — John Michell
Em 1796, o matemático Pierre-Simon Laplace promoveu a ideia mesmo na primeira e segunda edição do livro Exposition du système du Monde (que foi removido nas próximas edições). Mesmo as "estrelas negras (mecânica newtoniana)" foi muitas vezes ignorada no século XIV, pois não era compreendido como uma onda sem massa, como a luz, poderia influenciar na gravidade.
Relatividade Geral
Em 1915, Albert Einstein desenvolveu a teoria da relatividade geral, tendo sempre apresentado que a gravidade pode influenciar no movimento da luz. Pouco tempo depois, Karl Schwarzschild fez um sistema de unidades: Sistema métrico de Schwarzschild para as equações de campo de Einstein, onde é descrito o campo gravitacional de um ponto de massa e a massa esférica. Poucos meses depois de Schwarzschild, Johannes Droste, um estudante de Hendrik Lorentz, independentemente deu a mesma solução para o ponto de massa e escreveu mais extensamente sobre suas propriedades. Esta solução tem um funcionamento que é chamado de raio de Schwarzschild, tornando-se singularidade matemática, o que significa que alguns dos termos nas equações de Einstein são infinitos. A natureza dessa superfície não era bem compreendida na época. Em 1924, Arthur Eddington mostrou que a singularidade desapareceu depois de uma mudança de coordenadas, embora tenha demorado até 1933 para que Georges Lemaître percebesse que isso significava a singularidade no raio de Schwarzschild, e,não era uma propriedade física, mas matemática, a partir da descoberta da singularidade matemática.
Em 1931, Subrahmanyan Chandrasekhar calculou, usando a relatividade restrita, que um corpo não-rotativo de elétron de matéria degenerada acima de uma certa massa limite (hoje chamada de limite de Chandrasekhar de 1,4 massas solares) não tem soluções estáveis. Seus argumentos sofreram a oposição de muitos de seus contemporâneos como Eddington e Lev Landau, que argumentaram que algum mecanismo ainda desconhecido iria parar o colapso. Eles estavam parcialmente corretos: uma anã branca com massa ligeiramente superior ao limite de Chandrasekhar entrará em colapso em uma estrela de nêutrons, que é ela própria estável por causa do princípio de exclusão de Pauli. Mas em 1939 Robert Oppenheimer e outros previram que estrelas de nêutrons acima de aproximadamente três massas solares (o limite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff) entrariam em colapso em buracos negros pelas razões apresentadas por Chandrasekhar, concluindo que nenhuma lei da física era suscetível de intervir e parar pelo menos algumas estrelas do colapso para buracos negros.
Primeiro Registro Oficial
Em abril de 2019 o Event Horizon Telescope divulgou os resultados das primeiras imagens de um buraco negro na galáxia M87. No dia 10 de abril de 2019, o ESO junto a um grupo de observatórios de rádio publicou os resultados de uma observação feita a partir de 9 radiotelescópios ao redor do mundo que juntos criaram um telescópio virtual com o diâmetro da Terra. Imagens registradas em ondas de rádio em 2017 revelaram o horizonte de eventos e o disco de acreção ao redor do buraco negro supermassivo, com massa de 6,5 bilhões de vezes a do sol, localizado no centro da galáxia Messier 87, no aglomerado de virgem a 55 milhões de anos luz da Terra. Mas em 1939 Robert Oppenheimer e outros previram que estrelas de nêutrons acima de aproximadamente três massas solares (o limite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff) entrariam em colapso em buracos negros pelas razões apresentadas por Chandrasekhar, concluindo que nenhuma lei da física era suscetível de intervir e parar pelo menos algumas estrelas do colapso para buracos negros. As observações e seus resultados comprovaram as previsões de Einstein e a métrica de Kerr.
Primeira foto de um Buraco Negro na galáxia M87 feita pela Event Horizon Telescope.
Simulação gráfica computacional de um Buraco Negro, baseado do Buraco Negro na galáxia M87 feita pela Event Horizon Telescope.
A imagem, por sinal, comprova que Albert Einstein estava certo mais uma vez, pois ela reforça a coerência da Teoria da Relatividade Geral. O físico previu, há 100 anos, tudo isso que estamos, agora, comprovando não somente em dados, como em imagens, de maneira sem precedentes na história da ciência. Fomos capazes de prever um objeto espacial misterioso e vê-lo em imagens em um período de 100 anos, apenas — e isso deve ser admirado. A tabela abaixo nos apresenta 17 galáxias que atualmente suspeitamos possuírem buracos negros supermassivos em seus centros. Também é apresentada a massa estimada desses buracos negros.
| Nome da Galáxia | Massa do Buraco Negro (Sol=1) |
| IE1740.9-2942 | 100 centenas |
| SgrA* | 2 milhões |
| Messier 32 | 3 milhões |
| Centaurus A | < 14 milhões |
| Messier 31 | 30 milhões |
| Messier 106 | 40 milhões |
| NGC 3379 | 50 milhões |
| NGC 3377 | 100 milhões |
| Messier 84 | 300 milhões |
| NGC 4486B | 500 milhões |
| NGC 4594 | 1 bilhão |
| NGC 4261 | 1 bilhão |
| NGC 3115 | 2 bilhões |
| Messier 87 | 3 bilhões |
| Cygnus-A | 5 bilhões |
| NGC 4151 | Não Conhecido |
| Messier 51 | Não Conhecido |
A fotografia real do buraco negro da M87 pode não ser tão grandiosa como a população geral esperava que fosse, com o imaginário popular visualizando buracos negros com base em concepções da ficção científica, mas, antes de ficar desapontado com o "borrão" da imagem, vamos lembrar que a tecnologia e a ciência avançam a passos cada vez mais largos. Se hoje temos uma imagem nítida e repleta de detalhes de Plutão, é porque imagens borradas e "sem graça" foram registradas no passado, com o avanço da tecnologia permitindo o registro de imagens cada vez mais detalhadas com o passar do tempo. E isso também deve acontecer com a observação de buracos negros — há 100 anos, eles eram apenas uma teoria; agora, temos uma primeira imagem "borrada". Um dia, talvez poderemos nos admirar com buracos negros observando imagens que, talvez, se assemelhem às de Gargantua em Interestelar.
Plutão ontem (1996) fotografado com o Hubble, ao lado de Plutão hoje(2015) fotografado com a New Horizons.