Buracos Negros

"Todo corpo possui uma massa que sob o efeito da força da gravidade é mantida coesa. O acréscimo de massa corresponde a um aumento da força da gravidade. Existe um limite no qual a extrema massa produz, devido a força da gravidade intensa, um colapso da matéria. Toda a massa do corpo passa a estar contida em um ponto. Este ponto é chamado de singularidade, onde a densidade tende ao infinito. O campo gravitacional resultante é tão forte que nem mesmo a luz é capaz de escapar. Por isso tal corpo é chamado de Buraco Negro".


O que impede que a luz escape?

Existe um ditado que diz que "tudo que sobe, desce". Bem, isto é apenas meia verdade. Tudo que sobe, desce desde que a velocidade inicial seja inferior a velocidade de escape do corpo em questão. Caso contrário, não vai descer não.

Para que um corpo de massa m1 escape ao campo gravitacional de um corpo de massa m2 estando a uma distância R do centro deste corpo, a sua energia cinética deve ser igual à sua energia potencial.

1/2 m1 Ve² = m1 m2 G / R

Ve = Raiz quadrada(2 G m2 / R)

Ve = velocidade de escape
R = raio
G = constante gravitacional

para a superfície da Terra teremos Ve = 11,2 Km/s (o que dá 40.320 Km/h)

para o Sol teremos Ve = 618 Km/s (2.224.800 Km/h)

Se a massa do corpo for muito grande e concentrada em um volume muito pequeno então a velocidade de escape poderá atingir a marca de 300.000 Km/s (velocidade da luz). Daí para frente, até a luz entra naquela de que tudo que sobe, desce. Resultado: o corpo torna-se escuro. Daí o nome de Buraco Negro.


Bem, já entendemos o porque do "negro", mas "buraco" ???

Partindo da equação acima podemos substituir Ve por c (velocidade da luz) e isolar o raio R. Dessa forma encontraremos a distância do corpo de massa m2 em que a velocidade de escape é igual à velocidade da luz. Esta distância é denominada Raio de Schwarzschild (êta nomezinho difícil!) que abreviaremos como (Rs).

Rs = 2 G m2 / c²

Este raio estabelece um limite que é denominado Horizonte de Eventos, porque nenhuma informação sai de dentro dele. Qualquer corpo que assumir um tamanho menor do que o do seu horizonte de eventos irá colapsar a um ponto.

Observando a equação acima podemos verificar que o raio de Schwarzschild é proporcional à massa do corpo colapsado. Podemos então calcular seu valor para corpos de diferentes massas:

Se para um corpo com a massa do Sol (M) RS = 3 Km, então um corpo com duas vezes a massa do Sol possui RS = 6 km. Para a Terra, Rs = 8,9 mm (Imagine todo o planeta Terra dentro algo ligeiramente menor do que uma bolinha de gude ... daquelas bem pequenininhas!)

Toda matéria que ultrapassa o limite, estabelecido pelo Horizonte de Eventos, se precipita em direção à singularidade. É como se a matéria tivesse caído num buraco.

O telescópio Hubble pode ter fornecido uma evidência direta da existência dos buracos negros, através da observação de como a matéria desaparece quando ela atravessa o horizonte de eventos. A observação do enfraquecimento de pulsos de luz ultravioleta, provenientes de um aglomerado de gás espiralando em torno de um objeto massivo e compacto chamado Cygnus XR-1, sugere que o gás foi atraído por um buraco negro.


O raio do Horizonte de Eventos determina o raio da Esfera de Fótons (viixi!)

A luz sofre um desvio na presença de um campo gravitacional muito intenso. Bem, como o Buraco Negro é uma ótima fonte de campo gravitacional de alta intensidade, então a luz se desviará na sua proximidade.

Um raio de luz emitido diretamente (0°) em direção (radial) ao Buraco Negro não será desviado (mas será capturado). Existe uma certa distancia do Buraco Negro na qual um raio de luz emitido perpendicularmente em relação a direção radial (90°) do Buraco Negro entra em órbita. Esta distancia corresponde a 1,5Rs. Esta distancia define o que recebe a denominação de Esfera de Fótons.

Raios de luz com ângulos acima de 90° irão se precipitar no Buraco Negro. Se nos aproximarmos mais do buraco negro teremos ângulos sucessivamente menores do que 90° com a vertical para os quais o feixe entrará em órbita e a partir dos quais o feixe precipitará. O ângulo limite para o qual o feixe entra em órbita delimita o cone de saída.


Como podemos observar um Buraco Negro se nem a luz escapa ...

Não é possível observar um buraco negro diretamente porque ele não emite radiação. Entretanto, um buraco negro exerce força gravitacional sobre os corpos ao seu redor e graças a isso podemos detectá-lo. Resta-nos então observá-lo indiretamente, através de sua ação sobre sua vizinhança. Detectamos um buraco negro observando "coisas" que o rodeiam ou então que "caem" em sua direção sob a ação do seu campo gravitacional. Mesmo sem vermos diretamente o buraco negro, podemos saber qual a sua massa se, por exemplo, observarmos e medirmos a velocidade de nuvens de gás e poeira que o orbitam. Outro indício de que um sistema possa conter um buraco negro é a presença de um disco de acreção. Este se forma porque o buraco negro captura matéria através de um disco no qual a matéria pode perder o excesso de momentum angular via um processo de fricção que aquece a matéria capturada a 10⁷ K. Este aquecimento provoca uma forte emissão de raios-X.

Uma observação recente particularmente decisiva foi a da fonte de raios-X galáctica GRS1915+105. Esta foi também a primeira fonte na galáxia na qual se observou jatos rádio superluminais , comuns em quasares. Devido às várias características comuns com quasares, porém em escalas milhões de vezes menores, chamaram esta fonte e outras depois descobertas de microquasares. Em 1997 e 1998, realizaram observações simultâneas de GRS1915+105 em raios-X (satélite XTE-NASA), infravermelho (IR) próximo (com o telescópio de 5m do Monte Palomar) e em rádio. Observaram flares periódicos em raios-X que se repetiam em intervalos de 30 minutos. Estes flares eram seguidos por flares no IR e em rádio (síncrotron).

A interpretação mais provável é que estava sendo observado um disco de acreção em torno de um buraco negro estelar. O disco interno se aquece devido à acreção de matéria de uma companheira e emite um flare em raios-X. Em seguida o disco se desmancha, sendo que parte da matéria é acretada e parte dá origem a um jato de plasma relativístico observado no IR e rádio. O fenômeno se repete a cada 30 minutos, quando o disco é reabastecido por matéria proveniente da atmosfera da estrela companheira. A relevância desta observação se deve ao aparecimento da emissão IR e rádio logo após o flare em raios-X, constituindo-se numa evidência contundente de que o plasma dos jatos relativísticos provém do disco interno, como havia sido previsto em modelos para os sistema buraco negro com disco de acreção.

Tipos de Buracos Negros

Os Buraco Negros podem ser classificados conhecendo-se apenas três das suas características: massa, momentum angular (medida da sua rotação) e carga elétrica. De acordo com a massa, pode-se 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.

Indícios da existência de buracos negros supermassivos no centro de diversas galáxias tem sido encontrados. A tabela abaixo nos apresenta 17 galáxias que aparentam 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

A crença atual é que, possivelmente, toda grande galáxia tenha um buraco negro, de massa equivalente a milhões ou bilhões de estrelas, em seu centro. Esses buracos negros podem ter se formado no universo primitivo, a partir de gigantescas nuvens de gás ou então depois das galáxias já formadas, a partir do colapso de imensos aglomerados estelares.

A figura abaixo mostra imagens da rádio-galáxia 3C31.

O mapa rádio (na cor vermelha), obtido com o VLA (Very Large Array, arranjo de antenas rádio que permite alta resolução angular, no caso 1.4 segundos de arco) é mostrado juntamente com uma imagem na banda V (visual, na cor branca), mostrando que os lobos se estendem por centenas de kiloparsecs , muito além da imagem ótica


O Buraco Negro no centro da Via Láctea

Astrônomos descobriram que o centro da Via Láctea abriga um buraco negro, conforme se suspeitava há bastante tempo.

Esperavam que o Observatório de Raio-X Chandra, da Nasa, revelasse a antiga suspeita da presença de um buraco negro. De fato foi o que aconteceu. Porém as revelações do Chandra levantaram novas e intrigantes questões.

Físicos teóricos sustentaram por décadas que as estrelas gigantes, que possuem massa pelo menos dez vezes superior à do nosso Sol, normalmente encerravam suas vidas ao se transformarem em supernovas. Estas se constituem em explosões gigantescas que disseminam matéria a anos-luz de distância pelo espaço interestelar, deixando apenas um denso vestígio da estrela original. Quando este vestígio excede a três massas solares, ele se transforma em um buraco negro.

Em 1974, o astrônomo britânico Sir Martin Rees declarou que buracos negros supermassivos (aqueles que possuem um milhão ou até um bilhão de massas solares) poderiam existir nos centros de algumas galáxias. As galáxias às quais ele se referia possuíam notáveis núcleos ativos que brilhavam com a força de trinta bilhões de sóis ou mais. Eles reluzem, com intensidade variada em todos os comprimentos de onda, desde rádio até raios gama, e lançam partículas no espaço a alta velocidade. Rees concluiu que os buracos negros que tragavam matéria eram as suas fontes.

Percebe-se agora que as galáxias ativas não são as únicas capazes de abrigar estes "monstros do centro". Galáxias comuns como a Via Láctea também os possuem.

Em 1974 os astrônomos americanos Bruce Balick e Robert Brown observavam o relativamente tranquilo centro de nossa galáxia. Ali eles descobriram uma fonte compacta e variável de radiação que assemelhava-se muito a um quasar um pouco apagado (uma espécie de núcleo ativo galáctico distante que os astrônomos geralmente encontram nas bordas do universo observável). Porém este objeto encontrava-se somente a 26.000 anos-luz. Por estar aparentemente abrigado em uma fonte de radiação grande, ampliada, já conhecida como Sagittarius A, ela foi batizada como Sagittarius A* (pronuncia-se "Estrela A").

Sagittarius A* passou a ser observada em comprimento de ondas ópticas, de rádio e semi-infravermelhas. A vertiginosa velocidade (superior a 1.400 quilômetros por segundo) dos gases e das estrelas que circulavam ao redor do centro da Via Láctea indicava que algo pequeno, porém massivo (cerca de 2.6 milhões de massas solares), se escondia no centro de nossa galáxia. Seria aquilo um buraco negro supermassivo ou apenas milhões de estrelas relativamente comuns amalgamadas?

Observações através de raios-X poderiam oferecer a prova definitiva: primeiro, porque os raios-X são um típico grito agonizante da matéria antes que ela seja tragada por um buraco negro, e segundo porque apenas os raios-X são capazes de cruzar as densas nuvens de poeira e gás que nos impedem de observar diretamente o centro da galáxia. E assim iniciou-se a busca para detectar raios-X de Sagittarius A*.

Meses após seu lançamento em julho de 1999, o Grande Observatório identificou uma fonte de raios-X que coincidiam com Sagittarius A*. Astrofísicos anunciaram as suas descobertas em janeiro de 2000, entusiasmados com a comprovação da existência de um buraco negro supermassivo no núcleo da Via Láctea. Mas existia um problema: os raios-X possuíam apenas 1/5 da intensidade prevista pela teoria. Noutras palavras, Sagittarius A* era estranhamente pouco intensa desde que os núcleos ativos galácticos são muito brilhantes.

Observações subsequentes permitiram uma resposta: há dez milhões de anos uma supernova explodiu nas proximidades de Sagittarius A*. Os gases de rápida expansão afastaram dali boa parte do gás e da poeira interestelar, impedindo que o material fosse capturado pelo buraco negro da Via Láctea, e assim privando-o de "alimento". Menos alimento resulta em menor emissão de raios-X. Mesmo assim, algum material ainda cai no buraco negro.

Em 2001, sob observação, Sagittarius A repentinamente começou a brilhar. Em poucos minutos a intensidade aumentou para quarenta e cinco vezes acima da sua intensidade normal e, após três horas, regressou ao nível anterior. A energia adicional correspondia ao consumo súbito de uma quantidade de matéria pelo buraco negro, algo que equivaleria à massa de um cometa ou de um asteróide.