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Buracos Negros: 1. O que são buracos negros?

Página 3 Pedagogia & Comunicação | IF USP

O geólogo inglês John Michell (1724-1793), professor da Universidade de Cambridge, escreveu em 1783 um artigo onde postulava a idéia de que poderia haver uma estrela com uma densidade tão alta que sua gravidade poderia aprisionar a luz. Na verdade, o físico e matemático francês Pierre-Simon Laplace (1749-1827) incluiu nas duas primeiras edições do seu livro "O sistema do mundo", uma idéia igual a essa, mas acabou por retirá-la nas outras edições.

Em 1928, o físico indiano Subrahmanyan Chandrasekhar (1910-1995), ganhador do Prêmio Nobel, chegou a calcular a massa de uma estrela que não poderia se sustentar contra a sua própria gravidade, obtendo como resultado uma massa de 1,5 vezes a do nosso Sol.

Definição


Forças internas se equilibrando (em uma
estrela)
Quando um corpo não possui mais pressão suficiente para produzir uma força para fora que contrabalance o peso de suas camadas externas (figura ao lado), o corpo colapsa matematicamente a um ponto! Este ponto é chamado de singularidade, onde a densidade tende ao infinito. (Uma "colherada" de tal matéria conteria a massa de centenas de sóis!). O campo gravitacional é tão forte que nem mesmo a luz é capaz de escapar e por isso tal corpo é chamado de Buraco Negro.

Tipos de Buracos Negros

Os Buraco Negros são considerados entidades físicas relativamente simples pelo fato de podermos descrevê-los e classificá-los conhecendo somente três características suas: massa, momentum angular (medida da sua rotação) e carga elétrica. De acordo com a massa, podemos classificar os buracos negros em dois tipos principais:

  • Buracos Negros Estelares: originados a partir da evolução de estrelas massivas e portanto com massa da ordem das massas estelares.
  • Buracos negros Supermassivos: encontrados nos centros das galáxias, com massas de milhões a um bilhão de vezes a massa solar, provavelmente formados quando o Universo era bem mais jovem a partir do colapso de gigantescas nuvens de gás ou de aglomerados com milhões de estrelas.
Densidade infinita

Para estrelas com massa superior à crítica, ou ela perderia parte da sua massa ou entrariam em colapso até atingir uma densidade infinita, tornando-se assim um buraco negro.

Aliás, o nome Buraco Negro foi adotado pela primeira vez pelo cientista americano John Wheeler, em 1969, portanto quase duzentos anos depois das idéias pioneiras de Michell e Laplace.

Em 1939, J. Robert Oppenheimer (sim, "o pai da bomba atômica") estudou o comportamento de estrelas com massa superior à crítica. Mas, estes trabalhos só foram redescobertos por volta de 1960 com a ampliação do poder de observação astronômica.

Velocidade de escape

Com a atração gravitacional dos corpos celestes (estrelas, planetas, satélites, etc.) existe uma velocidade mínima de escape para que um corpo consiga vencer a força gravitacional e ganhar o espaço.

Na Terra esta velocidade é de 11,2 km/s (aproximadamente 40320 km/h), na Lua é de 8568 km/h. Estes cálculos levam em conta as forças gravitacionais.

Um buraco negro seria, então, um corpo que teria uma velocidade de escape superior à velocidade da luz (aproximadamente 300.000 km/s ou aproximadamente 1.080.000.000 km/h).

O diâmetro do Sol é de aproximadamente 1.400.000 km e se tornaria um buraco negro desde que seu diâmetro diminuísse para cerca de 6 km e mantivesse sua massa que é de 2 x 1030 kg.

Como se detecta um buraco negro?

Mas se o buraco negro não emite nem luz como se pode detectá-lo? Como são corpos com altíssima força gravitacional, os buracos negros podem ser detectados a partir de sua influência em outros corpos adjacentes.

Por exemplo, foram detectados buracos negros em sistemas binários (duas estrelas) em que uma delas entrou em colapso. A grande influência da companheira "desaparecida" na irmã é enorme, provocando uma grande mudança na sua trajetória.

O buraco negro de Schwarzschild

Em 1916, o astrônomo alemão Karl Schwarzschild conseguiu ajustar a Teoria da Relatividade aos buracos negros, partindo de uma séria de hipóteses que hoje já foram confirmadas.

Como a Teoria da Relatividade leva em conta espaço e tempo juntos imagine quão complicadas ficariam as equações dentro de um corpo de densidade praticamente infinita e as alterações em relação ao tempo.

Teoricamente podem existir buracos negros de todos os tamanhos, desde os de centros de galáxias até os atômicos.

Entropia de um buraco negro

Uma das características de um buraco negro dos grandes é um jato de gás relativístico que se estende por milhares de anos-luz. Galáxia PG 0052+251, fotografada pelo Telescópio Espacial Hubble, pode ter um gigantesco buraco negro em seu núcleo.

Quando os estudos sobre buracos negros começaram a esquentar, aí pela década de 70 do século passado, surgiu uma complicação. Um buraco negro, como se sabe, engole tudo que chega perto dele. Toda matéria que penetra em um buraco negro está perdida para o resto do Universo. Como nem a própria luz pode escapar de um buraco negro, nada podemos saber do que se passa dentro dele, a não ser por suposições teóricas.

O paradoxo era o seguinte: ao engulir matéria, o buraco negro engole a entropia dessa matéria. E, nada parece acontecer do lado de fora para compensar essa perda de entropia do Universo. Portanto, a Segunda Lei da Termodinâmica estaria sendo violada nas proximidades de um buraco negro.

Alguns físicos não ficaram satisfeitos com esse resultado. Violar uma lei fundamental como essa não é assim tão simples. Jacob Bekenstein, físico israelense, propôs que os buracos negros deveriam, também eles, ter entropia, que deveria crescer com a matéria engolida. Bekenstein calculou de quanto a entropia de um buraco negro aumentaria com a massa engolida e achou números enormes. Acreditar nesses números implicava em acreditar que os átomos e moléculas engolidos pelo buraco negro estariam em um tremendo grau de desordem. Ninguém ainda sabe direito o que se passa dentro de um buraco negro, já que nada pode sair de lá para contar alguma história. Mas, uma coisa é certa: se o buraco negro tem entropia, ele também tem uma temperatura. E, se tem temperatura, deve emitir radiação.

Os estudos de Bekenstein foram encarados com ceticismo pela comunidade de astrofísicos até que o russo Yakov Zel'dovich e o inglês Stephen Hawking, usando as armas da mecânica quântica associadas à relatividade geral de Einstein, mostraram que os buracos negros realmente emitem radiação. Hawking calculou que a entropia de um buraco negro é proporcional à área de sua superfície que, por sua vez, é inversamente proporcional ao quadrado de sua massa.

Esse surpreendente resultado serviu para aumentar ainda mais o prestígio da Segunda Lei da Termodinâmica. Mesmo em situações extremas, como nas beiradas de um buraco negro, a entropia sempre aumenta.


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