• Começa Com Um Estrondo

Pergunte a Ethan: O que o tamanho de um buraco negro nos diz?

Esta ilustração mostra como os fótons são dobrados em torno de um buraco negro por sua gravidade. O tamanho da sombra de um buraco negro é diferente do tamanho do horizonte de eventos, que são ambos diferentes do tamanho da singularidade central, que são diferentes ainda do caminho traçado por partículas em órbita estável ao redor do buraco negro . Tamanho neste contexto tem muitas definições. (NICOLLE R. FULLER/NSF)

Temos que usar a definição correta para a pergunta específica que estamos fazendo.

Quando se trata do Universo, frequentemente caracterizamos objetos examinando e relatando suas propriedades físicas. Embora possa haver alguns efeitos quânticos que desempenham um papel para objetos que são muito pequenos - em sua energia, posição, tempo de vida, etc. - existem algumas propriedades que permanecem as mesmas, independentemente de quaisquer incertezas. Objetos que são estáveis, tanto microscopicamente quanto macroscopicamente, são descritos por propriedades mensuráveis, como massa, volume, carga elétrica e spin/momento angular. Mas para os objetos de densidade mais extrema do Universo, buracos negros, algo como tamanho não é necessariamente bem definido. Afinal, se toda a massa e energia inevitavelmente colapsam em uma singularidade, então o que queremos dizer com tamanho? É isso que Antoine Merval quer saber, escrevendo para perguntar,

Quando falamos sobre o tamanho de um buraco negro, estamos falando sobre o raio do horizonte de eventos ou o tamanho real da matéria ‘infinitamente’ comprimida? Ou um buraco negro é uma singularidade real: ou seja, um ponto?

Na verdade, há mais de uma definição para o tamanho de um buraco negro, e todas elas têm seus usos. De fora para dentro, vamos dar uma olhada no que o tamanho de um buraco negro pode nos dizer.

Em vez de uma grade tridimensional vazia, em branco, colocar uma massa para baixo faz com que o que seriam linhas 'retas' se tornem curvas por uma quantidade específica. A curvatura do espaço além de uma certa distância, fora de uma grande massa, permanece inalterada mesmo quando você varia o volume que a massa interior ocupa. (CHRISTOPHER VITALE DAS REDES E O INSTITUTO PRATT)

A primeira coisa que você precisa saber sobre um buraco negro é o seguinte: em termos de seus efeitos gravitacionais, especialmente a grandes distâncias, um buraco negro não é diferente de qualquer outra massa. Se de alguma forma substituíssemos nosso Sol por um objeto de massa igual e momento angular igual que fosse:

• uma estrela subgigante inchada,
• uma grande gigante vermelha que era do tamanho da órbita de Vênus,
• uma anã branca degenerada,
• uma estrela de nêutrons ultra-comprimida,
• ou um buraco negro,

os efeitos gravitacionais que sentimos aqui na Terra permaneceriam absolutamente inalterados.

A menos que você seja um astrofísico profissional, isso pode surpreendê-lo! Afinal, somos ensinados que os buracos negros têm uma atração gravitacional irresistível e que sugam qualquer matéria que chegue muito perto de sua vizinhança irrevogavelmente para eles. Mas a verdade é que os buracos negros não sugam matéria mais do que qualquer outra massa. Na verdade, a única grande diferença entre um buraco negro e qualquer um desses outros objetos é a densidade: um buraco negro pode ter a mesma massa e momento angular que qualquer outro objeto, mas seu pequeno tamanho físico significa que você pode se aproximar dele e é aí que surgem esses efeitos gravitacionais exóticos.

Uma ilustração do espaço-tempo fortemente curvo, fora do horizonte de eventos de um buraco negro. À medida que você se aproxima cada vez mais da localização da massa, o espaço se torna mais curvado, levando a um local de dentro do qual nem a luz pode escapar: o horizonte de eventos. (USUÁRIO DO PIXABAY JOHNSONMARTIN)

A maioria de nós conhece o horizonte de eventos de um buraco negro, que representa a fronteira entre onde um objeto pode teoricamente escapar de sua atração gravitacional e onde qualquer objeto será inexoravelmente atraído para a singularidade central, independentemente do que ele faça. Se o seu buraco negro consiste apenas em massa - sem carga, sem momento angular e sem outros componentes exóticos inerentes a ele - o tamanho do horizonte de eventos é dado pelo que é conhecido como Raio de Schwarzschild : o raio no qual a velocidade de escape é igual à velocidade da luz.

Na realidade, no entanto, a maioria (se não todos) os buracos negros que existem fisicamente têm algum tipo de momento angular inerente a eles: evidência de que eles estão girando em torno de algum eixo rotacional. Quando um buraco negro gira, ele não tem mais apenas uma superfície significativa que é um limite entre o que pode escapar e o que não pode; em vez disso, existem vários limites importantes que surgem, e muitos deles podem reivindicar ser do tamanho de um buraco negro, dependendo do que você está tentando fazer. De fora para dentro, vamos passar por eles.

Uma animação da órbita de uma única partícula de teste fora da órbita estável mais interna para um buraco negro de Kerr (rotativo). Observe que a partícula tem uma extensão radial diferente do centro do buraco negro, dependendo da orientação: se você está alinhado ou perpendicular ao eixo de rotação do buraco negro. (SIMON TYRAN, VIENA; YUKTEREZ OF WIKIMEDIA COMMONS)

1.) Posso fazer uma órbita circular estável? Este é o sonho de qualquer coisa que queira passar seu tempo orbitando gravitacionalmente outro corpo: fazê-lo sem precisar constantemente adicionar energia ou impulso para mantê-lo em órbita. Assim como um satélite que orbita muito perto da Terra será arrastado de volta ao nosso planeta devido à força de atrito de nossa tênue atmosfera externa, um objeto que orbita um buraco negro, interior a uma certa distância, entrará em espiral no buraco negro, cruzará o horizonte de eventos, e ser atraído para a singularidade central. Essa distância, onde você pode ter uma órbita estável, é conhecido como ISCO : para a órbita circular estável mais interna.

Isso é significativamente mais distante do que o próprio horizonte de eventos: três vezes mais distante que o raio de Schwarzschild para um buraco negro não rotativo. Se o seu buraco negro está girando, você precisa ir mais longe: até 4,5 vezes mais distante que o raio de Schwarzschild se você se mover retrógrado (na direção oposta) em relação ao giro do buraco negro para a taxa de rotação máxima permitida. Por outro lado, porém, o movimento progressivo é mais fácil, com seu raio permitido diminuir um pouco à medida que o giro se aproxima do máximo. Ainda assim, esse limite é muito maior, em termos de tamanho, do que o próprio horizonte de eventos do buraco negro e, embora você possa permanecer confinado a um volume específico de espaço, não ficará simplesmente fazendo um círculo.

A imagem reconstruída de 11 de abril de 2017 (esquerda) e uma imagem EHT modelada (direita) se alinham notavelmente bem. Esta é uma excelente indicação de que a biblioteca de modelos que a colaboração do Event Horizon Telescope (EHT) reuniu pode, de fato, modelar a física da matéria que envolve esses buracos negros supermassivos, rotativos e ricos em plasma com bastante sucesso. Observe que a sombra do buraco negro é maior que o tamanho do horizonte de eventos. (HUIB JAN VAN LANGEVELDE (DIRETOR EHT) EM NOME DA COLABORAÇÃO EHT)

2.) O que vou ver quando olhar para ele? Isso é um pouco paradoxal, devido ao sucesso sem precedentes do Event Horizon Telescope. Quando criamos as primeiras imagens de um buraco negro diretamente, não imaginamos o horizonte de eventos. Em vez disso, o que fotografamos foram os efeitos dos fótons nas proximidades do buraco negro à medida que são dobrados pela intensa curvatura do espaço. Esses fótons então partem em muitas direções diferentes, onde observamos os que viajam em linha reta até nossos olhos. Podemos ver esse fluxo de fótons e identificar onde eles estão, e ver que eles fazem uma forma difusa, estendida, semelhante a um anel, com apenas escuridão no interior.

Mas esse anel não é do tamanho do horizonte de eventos; em vez disso, devido a alguns dos efeitos mais intrincados da Relatividade Geral, é cerca de 250% maior: um pouco menor que o ISCO, mas significativamente maior que o raio de Schwarzschild. Esses fótons não estão em órbitas estáveis, mas sim hiperbólicas, onde escapam da atração gravitacional do buraco negro. No entanto, o que chega aos nossos olhos não é representativo do tamanho físico do horizonte de eventos, mas um diâmetro que é 2,5 vezes maior que o diâmetro real de um horizonte de eventos: a sombra do buraco negro é maior que o próprio buraco negro.

A solução exata para um buraco negro com massa e momento angular foi encontrada por Roy Kerr em 1963 e revelou, em vez de um único horizonte de eventos com uma singularidade pontual, um horizonte de eventos interno e externo, bem como um horizonte de eventos interno e externo. ergosfera externa, além de uma singularidade em forma de anel de raio substancial. Um observador externo não pode ver nada além do horizonte de eventos externo. (MATT VISSER, ARXIV:0706.0622)

3.) Há mais alguma coisa interessante fora do horizonte de eventos? Sim! Há um local fora – 1,5 vezes o raio de Schwarzschild para um buraco negro não rotativo e aumentando até duas vezes o raio de Schwarzschild para um de rotação máxima – conhecido como esfera de fótons: onde um fóton permaneceria em órbita ao redor do buraco negro. Mas isso não é por um período de tempo indefinido; uma órbita de fótons é instável e cairá no buraco negro. Isso não viola a ISCO, porque o S significa estável; esta é uma órbita instável.

Mas se o seu buraco negro está girando, outra coisa interessante vem para o passeio: o que é conhecido como ergosfera externa. Por causa da rotação do buraco negro, o espaço fora dele também é arrastado. Claro, o espaço sempre é arrastado por uma massa rotativa, mas a ergosfera é especial porque arrasta o espaço a velocidades iguais à velocidade da luz.

Na ergosfera externa, as partículas que entram nessa região são forçadas a orbitar mais rapidamente, ganhando energia. Se eles ganharem energia suficiente, eles podem até escapar completamente do buraco negro, sendo expulsos e fazendo com que o buraco negro pague um custo: perder energia. Normalmente, isso vem da energia de rotação, não da energia de massa, e é uma das maneiras conhecidas de extrair energia de um buraco negro. É conhecido como o Processo de Penrose , e é considerado responsável por alguns dos as partículas de maior energia encontradas no Universo .

Sombra (preto), horizontes e ergosferas (branco) de um buraco negro em rotação. A quantidade de a, mostrada variando na imagem, tem a ver com a relação do momento angular do buraco negro com sua massa. Observe que a sombra vista pelo Event Horizon Telescope do buraco negro é muito maior do que o horizonte de eventos ou a ergosfera do próprio buraco negro. (YUKTEREZ (SIMON TYRAN, VIENA) / WIKIMEDIA COMMONS)

4.) E quanto ao horizonte de eventos? Como já dissemos, buracos negros realistas não são não rotativos; eles giram com uma quantidade significativa de momento angular. Essa rotação tem um efeito matemático fascinante: em vez de levar a um horizonte de eventos, você obtém duas soluções, correspondentes a um horizonte de eventos externo e interno. Embora os físicos discutam sobre o que essas duas soluções significam, o consenso geral parece ser que o horizonte externo definitivamente existe fisicamente, enquanto o horizonte interno não.

O horizonte externo funciona como o horizonte de eventos padrão no caso não rotativo, mas a rotação o empurra para mais longe: significativamente mais ao longo do equador do buraco negro do que nos pólos. Quanto mais rápido seu buraco negro girar, maior será a distorção, até uma taxa máxima teórica. No entanto, como discutimos anteriormente, os buracos negros que giram muito rapidamente perderão essa energia de rotação do processo de Penrose, girando em direção a um estado mais lento e estável a longo prazo, diminuindo ainda mais o tamanho do horizonte de eventos.

Tanto dentro quanto fora do horizonte de eventos de um buraco negro de Schwarzschild, o espaço flui como uma esteira rolante ou uma cachoeira, dependendo de como você deseja visualizá-lo. No horizonte de eventos, mesmo se você corresse (ou nadasse) na velocidade da luz, não haveria como superar o fluxo do espaço-tempo, que o arrasta para a singularidade no centro. Fora do horizonte de eventos, porém, outras forças (como o eletromagnetismo) podem frequentemente superar a atração da gravidade, fazendo com que até mesmo a matéria em queda escape. (ANDREW HAMILTON / JILA / UNIVERSIDADE DO COLORADO)

5.) Mas e dentro do horizonte de eventos externo do buraco negro? Agora, aqui é onde as coisas ficam interessantes. Se nosso buraco negro não estivesse girando, uma vez que você cruzasse o horizonte de eventos, você cairia inexoravelmente em direção à singularidade central, sem outra alternativa. No entanto, você não seria capaz de ver todo o resto vindo de todas as outras direções do espaço; em vez disso, as partes do interior do buraco negro que estão causalmente conectadas formam uma forma matemática particular: uma curva em forma de coração conhecida como cardióide .

A singularidade que você eventualmente alcançaria seria semelhante a um ponto e teria uma densidade infinita (e um volume infinitesimalmente pequeno) como resultado. Embora não saibamos o que acontece na singularidade – precisaríamos de uma teoria quântica da gravidade para saber com certeza – é muito claro que nossas leis conhecidas da física falham, produzindo apenas respostas sem sentido.

No entanto, se você permitir que seu buraco negro gire, o que significa que ele não tem apenas massa inerente a ele, mas também momento angular, tudo muda.

Nas proximidades de um buraco negro, o espaço flui como uma esteira rolante ou uma cachoeira, dependendo de como você deseja visualizá-lo. No horizonte de eventos, mesmo se você corresse (ou nadasse) na velocidade da luz, não haveria como superar o fluxo do espaço-tempo, que o arrasta para a singularidade no centro. Fora do horizonte de eventos, porém, outras forças (como o eletromagnetismo) podem frequentemente superar a atração da gravidade, fazendo com que até mesmo a matéria em queda escape. (ANDREW HAMILTON / JILA / UNIVERSIDADE DO COLORADO)

6.) Como é a singularidade de um buraco negro realista? Primeiro, se você adicionar rotação à mistura, sua singularidade não será mais um ponto de dimensão zero, mas se espalhará em uma estrutura unidimensional: um anel. Quando você cai em um buraco negro em rotação, você se dirige para a singularidade, mas a natureza rotativa do espaço-tempo o deixa em uma forma de vórtice; é como espaguetificação, mas com um redemoinho. Sua trajetória lançará cada quantum individual em seu corpo em um ponto diferente, distribuído ao longo desse anel linear.

Mas há uma ressalva divertida: existem algumas indicações teóricas de que quando você encontra o horizonte de eventos externo, é equivalente ao nascimento de um novo universo dentro desse buraco negro. Muitos relativistas discutem sobre o significado de várias propriedades que derivamos.

• Você acaba com um estado semelhante ao que esperamos que tenha ocorrido durante a inflação cósmica?
• Parece que o limite que você encontra pode ser mapeado em um limite que leva a outro Big Bang quente?
• É semelhante a um buraco de minhoca, onde você sai do espaço que estava ocupando e ressurge em outro lugar (e quando) em algum novo espaço?

As possibilidades são fascinantes e indicam que você pode nunca atingir essa singularidade se seu buraco negro girar, afinal.

De fora de um buraco negro, toda a matéria em queda emitirá luz e sempre será visível, enquanto nada por trás do horizonte de eventos pode sair. Mas se fosse você que caísse em um buraco negro, o que você veria seria interessante e contra-intuitivo, e sabemos como realmente seria. (ANDREW HAMILTON, JILA, UNIVERSIDADE DE COLORADO)

E, no entanto, por mais cuidadosos que os físicos sejam quando falamos sobre todas essas questões e todas as maneiras diferentes de definir o tamanho de um buraco negro, tendemos a ser preguiçosos quando falamos coloquialmente. Normalmente, o tamanho de um buraco negro, na boca de um físico, significa o raio de Schwarzschild do buraco negro, independentemente da rotação, e desprezando qualquer um dos outros efeitos da curvatura espacial, o tamanho aparente de uma sombra ou o comportamento das partículas. . Basta pegar a massa do buraco negro, calcular em que raio sua velocidade de escape é igual à velocidade da luz, e aí está o seu tamanho.

Claro, existem muitos outros cenários físicos que consideramos o tempo todo. O que acontece com as partículas fora de um buraco negro? Onde eles podem orbitar de forma estável, versus onde eles serão ejetados ou engolidos? O que vemos fisicamente quando olhamos para um buraco negro? Quando um buraco negro gira, que efeitos o arrasto do espaço tem sobre a matéria fora do buraco negro? E, se você viajar além do horizonte de eventos de um buraco negro, o que você experimentaria ou encontraria? Todas essas perguntas têm respostas diferentes, com implicações diferentes para a questão do tamanho. É importante, quando falamos sobre essas questões, que sempre usemos a definição de tamanho que faça sentido para o efeito que estamos explorando. Qualquer outra coisa só vai levar à confusão.

Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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