• Começa Com Um Estrondo

Desculpe, os buracos negros não são realmente negros

O decaimento simulado de um buraco negro não resulta apenas na emissão de radiação, mas no decaimento da massa orbital central que mantém a maioria dos objetos estáveis. Os buracos negros não são objetos estáticos, mas mudam com o tempo. Para os buracos negros de menor massa, a evaporação acontece mais rápido, mas mesmo o buraco negro de maior massa no Universo não viverá além do primeiro googol (10¹⁰⁰) anos. (CIÊNCIA DA COMUNICAÇÃO DA UE)

Os físicos com certeza dão nomes contra-intuitivos às coisas que encontram.

A maioria de nós fica confusa com a ideia de relatividade quando a encontramos pela primeira vez. Os objetos não se movem apenas pelo espaço, mas também pelo tempo, e seus movimentos através de ambos estão inseparavelmente entrelaçados no tecido do espaço-tempo. Além disso, quando você adiciona gravidade à mistura, descobre que massa e energia afetam a curvatura do espaço-tempo por sua presença, abundância, densidade e distribuição, e que o espaço-tempo curvo dita como a matéria e a energia se movem por ele.

Se você reunir massa suficiente em um determinado volume de espaço-tempo, criará um objeto conhecido como buraco negro. Ao redor de cada buraco negro há um horizonte de eventos: a fronteira entre onde um objeto pode escapar da atração gravitacional do buraco negro e onde tudo cai irrevogavelmente em direção à singularidade central. Mas, apesar de nenhum objeto de dentro do horizonte de eventos escapar, os buracos negros não são realmente negros. Aqui está a história de como.

Quando uma estrela massiva o suficiente termina sua vida, ou dois remanescentes estelares massivos o suficiente se fundem, um buraco negro pode se formar, com um horizonte de eventos proporcional à sua massa e um disco de acreção de matéria em queda ao seu redor. Quando o buraco negro gira, o espaço fora e dentro do horizonte de eventos também gira: esse é o efeito do arraste de quadros, que pode ser enorme para buracos negros. (ESA/HUBBLE, ESO, M. KORMESSER)

Quando a Relatividade Geral foi apresentada ao mundo pela primeira vez em 1915, ela revolucionou nossa compreensão de espaço, tempo e gravitação. Sob a imagem newtoniana, já tínhamos visto o espaço e o tempo como entidades absolutas: era como se você pudesse colocar uma grade de coordenadas sobre o Universo e descrever cada ponto com três coordenadas espaciais e uma coordenada de tempo.

A revolução que Einstein trouxe foi dupla. Primeiro, essas coordenadas não eram absolutas, mas relativas: cada observador tem sua própria posição, momento e aceleração, e observa um conjunto único de coordenadas de espaço e tempo que são distintas de todos os outros observadores. Em segundo lugar, qualquer sistema de coordenadas em particular não permanece fixo ao longo do tempo, pois mesmo observadores em repouso serão puxados pelo próprio movimento do espaço. Em nenhum lugar isso é mais evidente do que em torno de um buraco negro.

Os buracos negros são famosos por absorver matéria e ter um horizonte de eventos do qual nada pode escapar, e por canibalizar seus vizinhos. Mas isso não significa que os buracos negros sugam tudo, consumam o Universo ou sejam completamente negros. Quando algo cai, ele emitirá radiação por toda a eternidade. Com o equipamento certo, pode até ser observável. (RAIO X: NASA/CXC/UNH/D.LIN ET AL, ÓPTICO: CFHT, ILUSTRAÇÃO: NASA/CXC/M.WEISS)

Em vez de ver o espaço como uma rede fixa de ruas tridimensionais, talvez seja mais preciso ver o espaço como uma esteira rolante. Não importa onde você esteja no Universo, o espaço sob seus pés está sendo arrastado por todos os efeitos gravitacionais em jogo. As massas fazem o espaço acelerar em direção a elas; o Universo em expansão faz com que objetos soltos se afastem um do outro.

Fora do horizonte de eventos de um buraco negro, qualquer matéria é atraída para o buraco negro, mas colisões e interações eletromagnéticas podem acelerar esse material em várias direções, inclusive para afunilá-lo para longe do próprio buraco negro. Uma vez que você cruza dentro do horizonte de eventos, no entanto, você nunca pode escapar. O espaço sob seus pés acelera em direção à singularidade mais rápido que a luz. Embora isso pareça ficção científica, na verdade imaginamos o horizonte de eventos de um buraco negro. E eis que, assim como Schwarzschild previu em 1916, os horizontes de eventos são reais.

Em abril de 2017, todos os 8 telescópios/matrizes de telescópios associados ao Event Horizon Telescope apontavam para Messier 87. É assim que um buraco negro supermassivo se parece, onde a existência do horizonte de eventos é claramente visível. Somente através do VLBI poderíamos alcançar a resolução necessária para construir uma imagem como esta, mas existe potencial para um dia melhorá-la por um fator de centenas. A sombra é consistente com um buraco negro em rotação (Kerr). (EVENTO HORIZON TELESCÓPIO COLABORAÇÃO ET AL.)

Esta é uma propriedade da relatividade que geralmente não é apreciada. Muitas vezes você ouvirá dizer que nada pode se mover mais rápido que a velocidade da luz, e isso é verdade, mas apenas se você entender o que significa mover-se. O movimento sempre tem que ser relativo a outra coisa; não existe movimento absoluto. No caso de se mover em relação à velocidade da luz, isso é movimento em relação ao próprio tecido do espaço: em relação ao movimento que uma partícula liberada do repouso experimentaria.

Matéria e energia não podem se mover mais rápido que a luz, mas o próprio espaço não tem tais restrições. Fora de um horizonte de eventos, o tecido do espaço se move mais lentamente que a velocidade da luz; você ainda pode escapar da atração gravitacional de um buraco negro acelerando rápido o suficiente. Dentro do horizonte de eventos, porém, todos os caminhos que a matéria ou a luz podem tomar só a levarão a um lugar: a singularidade central.

Tanto dentro como fora do horizonte de eventos, 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)

Com isso em mente, você pode começar a se perguntar o quão negros esses objetos – buracos negros – realmente são. Se nada que cruza o horizonte de eventos pode sair novamente, você pode pensar que é apenas a matéria que permanece fora do horizonte de eventos que é visível. Que o Universo fora do horizonte de eventos ainda pode ser visível, mas o próprio horizonte de eventos será uma superfície completamente preta, desprovida de qualquer tipo de luz. Você pode pensar que, como nada que cai pode escapar, os buracos negros não emitem nada.

Se é isso que você pensa, você não está sozinho: este é um dos mais comuns e populares equívocos de todos os tempos sobre buracos negros . Mas se você realmente acha que os buracos negros são completamente negros e que nunca pode ver nada que caia em um, há duas coisas que você deve considerar. Qualquer um deve ser suficiente para mudar sua mente.

Uma ilustração de um buraco negro ativo, que acumula matéria e acelera uma parte dela para fora em dois jatos perpendiculares, é um excelente descritor de como os quasares funcionam. A matéria que cai em um buraco negro, de qualquer variedade, será responsável pelo crescimento adicional em massa e tamanho do horizonte de eventos para o buraco negro. Apesar de todos os equívocos por aí, no entanto, não há ‘sugar’ de matéria externa. (MARK A. ALHO)

1.) Pense na matéria que cai em um buraco negro . Buracos negros crescem em massa sempre que qualquer coisa de fora do horizonte de eventos cruza o horizonte de eventos e cai. buracos negros na verdade não sugam matéria dentro deles, eles crescem sempre que as partículas cruzam para a região sem retorno que os cerca. Se você fosse a matéria em queda que entrou no horizonte de eventos, uma vez que você cruzasse, é verdade que você nunca mais voltaria.

Mas e se você permanecesse fora do horizonte de eventos e visse outra pessoa cair? Lembre-se de que o próprio espaço está se movendo, que espaço e tempo estão relacionados e que os fenômenos descritos pela relatividade são reais e devem ser considerados. No próprio horizonte de eventos, o espaço está se movendo na velocidade da luz. O que significa que, para alguém infinitamente distante, o tempo no horizonte de eventos não parece mais passar.

A impressão deste artista mostra uma estrela parecida com o Sol sendo dilacerada pela perturbação das marés à medida que se aproxima de um buraco negro. Objetos que caíram anteriormente ainda serão visíveis, embora sua luz pareça fraca e vermelha (facilmente mudada para o vermelho que é invisível aos olhos humanos) em proporção à quantidade de tempo que se passou desde que cruzaram o horizonte de eventos. (ESO, ESA/HUBBLE, M. KORNMESSER)

Quando você observa outra coisa cair em um buraco negro, você veria que a luz emitida por eles ficaria mais fraca, mais vermelha, e sua posição seria assíntota em direção ao horizonte de eventos. Se você pudesse continuar a observar os fótons fracos que eles emitiram, eles pareceriam esticados no espaço e esticados no tempo. Eles experimentariam um desvio gravitacional para o vermelho, com a luz emitida por eles passando do visível para o infravermelho, para as micro-ondas e as frequências de rádio.

Qualquer que seja, nunca desaparecerá completamente. Sempre haverá, infinitamente distante no futuro, luz para observar de sua queda em um buraco negro. Mesmo que os fótons sejam quantizados, não há limite para quão baixa sua energia pode ser. Com um telescópio grande o suficiente sensível a comprimentos de onda suficientemente longos, você sempre deve ser capaz de ver a luz de qualquer coisa que caia em um buraco negro. Quando alguém cai, sua luz nunca desaparece completamente.

Uma ilustração da energia do ponto zero do próprio espaço: o vácuo quântico. Ele está cheio de pequenas flutuações de curta duração, que observadores que aceleram em taxas diferentes (ou que existem em regiões onde a curvatura do espaço é diferente) discordam sobre qual é a energia mais baixa (estado fundamental) do vácuo quântico. . (NASA/CXC/M.WEISS)

2.) Pense na natureza quântica do espaço fora do horizonte de eventos . Se você estiver em um espaço puramente vazio, onde não há matéria, energia ou radiação ocupando seu espaço, você pode pensar que todos os observadores inerciais (não acelerados) concordariam sobre quais são as propriedades desse espaço. Mas se você está falando sobre o espaço fora de um buraco negro, isso não é possível.

Por que não? Duas razões, em conjunto, garantem isso:

• o vácuo do espaço perfeitamente vazio não é completamente vazio, pois inevitavelmente contém flutuações quânticas,
• e o fato de que o próprio tecido do espaço está se acelerando em taxas diferentes, dependendo de sua distância da singularidade central.

Combine essas duas coisas e surge uma situação inevitável: diferentes observadores discordarão sobre qual é o verdadeiro estado de energia mais baixa do vácuo quântico perto de um buraco negro.

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. O raio desse local é definido apenas pela massa do buraco negro, pela velocidade da luz e pelas leis da Relatividade Geral. Observadores próximos ao buraco negro versus observadores distantes discordariam sobre qual era a energia do ponto zero do vácuo quântico. (USUÁRIO DO PIXABAY JOHNSONMARTIN)

Se você estiver longe do buraco negro, pode aproximar o espaço como não acelerando onde você está, e assim os observadores próximos concordarão uns com os outros quando se referirem ao vácuo quântico. Mas quando você considera o vácuo quântico próximo ao horizonte de eventos do buraco negro – em outras palavras, em uma região do espaço onde a curvatura é severamente não plana – o vácuo quântico parece estar em um estado excitado.

Por quê? Porque sua visão do que parece plano é diferente de um observador que está perto do horizonte de eventos. Para transformar a percepção deles de plano (que é curvo para você) para o seu quadro de referência, você precisa calcular o que perceberia de forma diferente do que eles perceberiam. Enquanto eles veriam apenas o espaço vazio, você, de longe, vê grandes quantidades de radiação emanando do espaço curvo perto do horizonte de eventos.

O horizonte de eventos de um buraco negro é uma região esférica ou esferoidal da qual nada, nem mesmo a luz, pode escapar. Mas fora do horizonte de eventos, prevê-se que o buraco negro emita radiação. O trabalho de Hawking de 1974 foi o primeiro a demonstrar isso, e foi sem dúvida sua maior conquista científica. (NASA; DANA BERRY, SKYWORKS DIGITAL, INC.)

Isso é o que a radiação Hawking realmente é : a radiação que você observaria porque sua percepção do vácuo quântico é diferente no espaço plano do que no espaço curvo. Esta é uma maneira mais correta de visualizar a radiação Hawking do que a própria explicação de Hawking dos pares partícula-antipartícula criados perto de um buraco negro, onde um cai e o outro escapa, pelo seguinte conjunto de razões:

• A radiação Hawking é quase exclusivamente fótons, não partículas ou antipartículas,
• A radiação Hawking não se origina do horizonte de eventos, mas de cerca de 10 a 20 raios de Schwarzschild do horizonte de eventos,
• se você calcular as energias dos pares partícula-antipartícula que surgem perto do horizonte de eventos combinando a mecânica quântica e a Relatividade Geral, você obtém o valor médio correto, mas o espectro de energia errado; você precisa evitar a explicação de Hawking para obter a resposta certa.

A radiação Hawking é o que inevitavelmente resulta das previsões da física quântica no espaço-tempo curvo ao redor do horizonte de eventos de um buraco negro. Essa visualização é mais precisa do que uma simples analogia de par partícula-antipartícula, pois mostra fótons como a fonte primária de radiação em vez de partículas. No entanto, a emissão se deve à curvatura do espaço, não às partículas individuais, e nem todas remontam ao próprio horizonte de eventos. (E. SELO)

Mas esta é uma forma real de radiação. Ele tem energias reais e uma distribuição de energia calculável para seus fótons, e você pode calcular o fluxo e a temperatura dessa radiação com base apenas na massa do buraco negro. Talvez contra-intuitivamente, os buracos negros mais massivos têm quantidades menores de radiação de baixa temperatura, enquanto os buracos negros de menor massa decaem mais rapidamente.

Isso pode ser entendido quando você percebe que a radiação Hawking é mais forte onde o espaço é a curva mais severa, e a curvatura espacial mais severa ocorre mais perto de uma singularidade. Buracos negros de massa menor significam horizontes de eventos de menor volume, e isso significa mais radiação Hawking, decaimentos mais rápidos e radiação de maior energia para procurar. Com o telescópio certo de comprimento de onda longo e grande diâmetro, um dia poderemos observá-lo.

À medida que os buracos negros perdem massa devido à radiação Hawking, a taxa de evaporação aumenta. Depois de um tempo suficiente, um flash brilhante de “última luz” é liberado em um fluxo de radiação de corpo negro de alta energia que não favorece nem matéria nem antimatéria. (NASA)

Se você tem um objeto astrofísico que emite radiação, isso imediatamente desafia a definição de preto: onde algo é um absorvedor perfeito enquanto emite radiação zero. Se você está emitindo alguma coisa, você não é negro, afinal.

Assim vale para os buracos negros. O objeto mais perfeitamente preto em todo o Universo não é verdadeiramente preto. Em vez disso, ele emite uma combinação de toda a radiação de todos os objetos que já caíram nele (que serão assíntotas, mas nunca chegarão a zero) junto com a radiação Hawking de temperatura ultrabaixa, mas sempre presente.

Você pode ter pensado que os buracos negros são realmente negros, mas não são. Junto com as ideias que buracos negros sugam tudo para eles e buracos negros um dia consumirão o Universo , eles são os três maiores mitos sobre buracos negros. Agora que você sabe, você nunca mais será enganado!

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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