Down the rabbit hole: O que é um buraco negro?

Aproveitando o tema da última publicação sobre a foto que revolucionou a Astronomia e Cosmologia algumas semanas atrás, hoje resolvi falar um pouco desse objetos usados exaustivamente em ficção científica e desenhos como sendo vilões terríveis do universo: Os buracos negros. Afinal, de uma maneira mais poética, um buraco negro é o cadáver colossal de uma estrela, flutuando para sempre pelo universo. Porém, para começar gostaria de deixar claro o que um buraco negro não é.

Isso não é um buraco negro. É um ralo que tomou LSD

Se você seguir a maioria dos filmes ou desenhos um buraco negro parece um funil cósmico, um ralo que vai sugar tudo e destruir qualquer coisa que passar perto dele. No lugar disso é MUITO mais correto imaginar o buraco negro como um planeta todo preto. Ou um sol sem luz. O que na verdade é exatamente  o que um buraco negro é.

Melhor representação cientificamente correta de um buraco negro até a data. Feita por Kipp Picudo Thorne, et al.

Ok para chegar nessa parte precisamos entender primeiro o que é um buraco negro em sí. Diferente do que a tia contou na quinta série, o sol (e todas as estrelas) não é uma bola de “fogo”. Como Douglas Adams já disse uma vez, as estrelas são basicamente bombas nucleares explodindo hidrogênio e hélio constantemente. Essas reações nucleares nos corações das estrelas transformam hidrogênio em hélio liberando muita energia, a mesma coisa que ocorre em uma bomba de fusão nuclear. Mantendo assim a estrela “funcionando”.

Não vou entrar muito no assunto da evolução estrelar (fica para  a próxima) e nessa postagem ja falei um pouco sobre como estrelas são forjas cósmicas que queimam, e produzem, tipos diferentes de elementos. Para nós basta saber que algumas estrelas em específico terão uma composição particular que fará delas um buraco negro no fim de suas vidas. Isso não ocorre sempre, a estrela precisa de uma massa muito grande para isso. Por exemplo nosso sol nunca se tornará um buraco negro.

Para estrelas supermassivas, chegará uma fase em que ela esgotará suas fontes de energia para fusão (e portanto a pressão que a mantinha se expandindo), mas ao mesmo tempo o peso de toda a estrela vai tentar comprimir a matéria em direção ao seu centro. A massa concentrada próximo ao núcleo será tão grande que a gravidade (perto do núcleo e isso é importante) puxará não somente a matéria, mas a própria luz de volta a antiga estrela.

E porque disso? Pense em como é fácil arremessar para  o alto uma bola de tênis da lua, comparado à terra. Essa diferença ocorre porque o peso de um objeto é diretamente relacionado a massa do planeta onde ele está (peso não é igual a massa, peso varia de planeta para planeta). Em física existe um conceito interessante chamado “velocidade de escape”. Essa velocidade nos diz quão rápido algo precisa estar para “fugir” de um planeta (ou estrela), partindo de sua superfície. E como no exemplo da bola de tênis, a velocidade de escape na lua é muito menor do que na terra. Basicamente se você tem uma nave, precisará estar na velocidade de escape do planeta em que estiver para conseguir chegar ao espaço. Obviamente quanto maior a massa do planeta, maior precisará ser a velocidade de escape.

Velocidade de escape da terra lindamente ilustrada

O que isso tem a ver com buracos negros? O limite de massa para uma estrela se tornar um buraco negro é determinado justamente pela sua velocidade de escape. Como dissemos, quanto mais massivo o planeta (ou estrela) em que você estiver, maior deverá ser a velocidade de escape para fugir de lá. Buracos negros são estrelas com uma massa tão grande que a velocidade de escape deles é maior que a velocidade da luz.

Ou seja, até mesmo a luz ao tentar sair de um buraco negro ira se “curvar” e cair eternamente de volta em direção a seu centro. Bem isso encerra totalmente o que um buraco negro é, se desconsideramos a relatividade geral. Note então que um buraco negro seria somente uma estrela sem luz, e não a nêmesis galática que os filmes mostram. Sem material propício para a fusão a estrela iria resfriar, sua superfície se tornaria sólida e ficaria assim para sempre. Uma rocha hipermassiva e totalmente negra no espaço, onde você até poderia aterrissar, mas nunca conseguiria sair de lá devido a alta gravidade.

Ok a comparação é um pouco inválida. A massa para formar um buraco negro é MUITO grande, tipo grande o bastante para puxar e contrair todos os elementos que formavam a estrela (não existe mais fusão lembram?) até uma bolinha supermassiva. Ainda seria um “planeta negro” em tese, mas com toda a sua massa comprimida em uma bolinha de gude mais ou menos.

Mas o importante aqui é entender que a gravidade que um buraco negro gera não é qualitativamente diferente da gerada por um sol, não existe uma “força gigante” maior em um buraco negro do que qualquer outro corpo com a mesma massa. A terra gira ao redor do sol presa exclusivamente pela atração gravitacional que ambos tem (do mesmo jeito que a lua gira ao redor da terra pelo mesmo motivo). E a força gravitacional depende unicamente da distância e da massa dos objetos.

“Mas nos filmes se você chegar perto de um buraco negro você morre. Mas nos filmes eles destroem o mundo. etc.” Sim a grande maioria dos filmes de ficção simplesmente pegou uma palavra legal (black hole) e usou para ser o novo vilão da novela das seis. Pense dessa forma,  se nosso sol virasse instantaneamente um buraco negro nesse exato momento a unica diferença que sentiríamos seria entramos em uma noite eterna e eventualmente congelarmos até a morte.

Esquerda: Terra se o Sol fosse um buraco negro. Direita: Terra se o Sol fosse o Sol.

Então conseguimos tirar do caminho aquela visão clássica de que buracos negros são ralos, ou redemoinhos, sem fim pairando pelo universo. Eles são meras massas colossais que não emitem luz. Qualquer planeta ou nave que consegue orbitar um sol orbitaria de forma idêntica um buraco negro.

Os problemas ocorrem somente quando chegamos perto dele (não que problemas sejam inexistentes quando tentamos chegar na superfície do sol…).

Primeiro temos o efeito de maré (cientistas tem um termo muito técnico para isso: Espaguetificação). A gravidade perto daquela massa é tão grande que a mera diferente de distância entre seu pé e sua cabeça (em relação ao centro gravitacional) fará o buraco negro puxar seu pé com muito mais força que sua cabeça. Ou seja você seria esticado como um macarrão, o que causa estrias, perca de apetite e morte instantânea. Lembrando que isso so ocorre quando você está bem perto do buraco negro, e coisas semelhantes ocorreriam se você conseguisse chegar bem perto de uma estrela de nêutrons sem se queimar.

Esse efeito de mare (que tende a esticar coisas) é justamente o mesmo que gera as marés na terra. No caso nossa lua gera isso pois a água dos oceanos mais próxima da lua é puxada com  mais intensidade que no ponto oposto, tendendo a “esticar” o que deveria ser uma  esfera de líquido.

Como as marés surgem. Devido a, criativamente chamada, força de maré.

Mas até aqui desconsideramos a relatividade geral.

Não vou entrar em detalhes mas segundo a relatividade restrita NADA viaja pelo espaço mais rápido que a luz. Para evitar que isso ocorra o universo tem um jeitinho de alterar as coisas, e mesmo se você tiver o motor mais foda do mundo, ao acelerar o próprio tempo passa a se alterar, te impedindo que vá mais rápido que a luz. Agora segundo a relatividade geral as nossas idéias sobre aceleração na verdade são equivalentes aos campos gravitacionais. Acelerações muito fortes são equivalentes a gravidades muito fortes.

Sem entrar nos méritos matemáticos, isso acaba significando que perto de um buraco negro (forças gravitacionais gigantescas devido a sua massa) você sofre os mesmos efeitos que se estivesse em uma nave acelerando próximo da velocidade da luz. O tempo em sí se distorce, passando de maneira mais lenta. Muito lenta. Lenta o suficiente para na verdade você nunca chegar a tocar a superfície (horizonte de eventos) de um buraco negro.

De fato você ira cair eternamente em direção ao buraco negro para alguém vendo a cena de fora. Para você, que esta caindo, o que ocorreria é o inverso, com o restante do universo passando muito rapidamente. Assim em um segundo você veria todo o restante do universo continuar seus bilhões de anos de existência, até o fim dos tempos (ou até o buraco negro se evaporar se Hawking estiver certo). Claro, isso se você não tiver virado espaguete devido as forças de maré.

Esse comportamento de distorção temporal que de fato é algo único dos buracos negros. Outras estrelas tem massa, e campos gravitacionais, suficientes para distorcerem um pouco o tempo (até mesmo a terra faz isso. O tempo para astronautas na estação espacial internacional passa ligeiramente mais rápido do que o tempo na terra). Porém somente um buraco negro tem o campo gravitacional forte o bastante para impedir até mesmo a luz de escapar, o que gera essa singularidade temporal, a distorção é tão grande que de fato para “cair” até o centro do universo levaria a eternidade.

Então, por fim, buracos negros tem comportamentos MUITO estranhos como curvar a luz e fazer o tempo passar de formas estranhas em suas proximidades, porém esses comportamentos são bem diferentes do que os filmes (e reportagens cientificas mal feitas) nos fazem imaginar. Vistos de longe (uma órbita estável ou de um planeta ao redor dele) o buraco negro não é muito diferente de uma estrela que não pagou a conta de luz.

PS. Para os nerds chatonildos que vierem reclamar, sim eu considerei SOMENTE um buraco negro. No universo os buracos negros geralmente estarão cercados de poeira cósmica caindo em sua direção, o que gera rajadas de raios gama e raios X. Também deixei de comentar sobre como buracos negros podem emitir radiação de Hawking ou rajadas de matéria super-aquecida como um quasar. Isso é matéria (matéria, entendeu?! ¬¬) para outro post 😉

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