• Começa Com Um Estrondo

É por isso que os buracos negros devem girar quase à velocidade da luz

Uma ilustração de um buraco negro ativo, que acumula matéria e acelera uma parte dela para fora em dois jatos perpendiculares. A matéria normal que sofre uma aceleração como essa descreve como os quasares funcionam extremamente bem. Todos os buracos negros conhecidos e bem medidos têm enormes taxas de rotação, e as leis da física praticamente garantem que isso seja obrigatório. (Mark A. Garlick)

Muitos deles estão girando quase à velocidade da luz. Quando você faz as contas, não há outra maneira que poderia ter sido.

Dê uma olhada no Universo e, embora as estrelas possam emitir a luz que você notará pela primeira vez, um olhar mais profundo mostra que há muito mais por aí. As estrelas mais brilhantes e massivas, por sua própria natureza, têm a vida útil mais curta, pois queimam seu combustível muito mais rapidamente do que suas contrapartes de menor massa. Uma vez que eles atingiram seus limites e não podem mais fundir elementos, eles chegam ao fim de suas vidas e se tornam cadáveres estelares.

Mas esses cadáveres vêm em várias variedades: anãs brancas para as estrelas de menor massa (por exemplo, semelhantes ao Sol), estrelas de nêutrons para o próximo nível e buracos negros para as estrelas mais massivas de todas. Enquanto a maioria das estrelas pode girar relativamente devagar, os buracos negros giram quase à velocidade da luz. Isso pode parecer contra-intuitivo, mas sob as leis da física, não poderia ser de outra forma. Aqui está o porquê.

A luz do Sol é devido à fusão nuclear, que converte principalmente hidrogênio em hélio. Quando medimos a taxa de rotação do Sol, descobrimos que é um dos rotadores mais lentos de todo o Sistema Solar, levando de 25 a 33 dias para fazer uma rotação de 360 ​​graus, dependendo da latitude. (NASA/Observatório de Dinâmica Solar)

O análogo mais próximo que temos de um desses objetos extremos em nosso próprio Sistema Solar é o Sol. Em outros 7 bilhões de anos ou mais, depois de se tornar uma gigante vermelha e queimar o hélio em seu núcleo, ela terminará sua vida explodindo suas camadas externas enquanto seu núcleo se contrai em um remanescente estelar.

As camadas externas formarão uma visão conhecida como nebulosa planetária, que brilhará por dezenas de milhares de anos antes de devolver esse material ao meio interestelar, onde participarão das futuras gerações de formação estelar. Mas o núcleo interno, composto em grande parte por carbono e oxigênio, se contrairá o máximo possível. No final, o colapso gravitacional só será interrompido pelas partículas ⁠ — átomos, íons e elétrons ⁠ — de que será feito o remanescente do nosso Sol.

Quando nosso Sol ficar sem combustível, ele se tornará uma gigante vermelha, seguida por uma nebulosa planetária com uma anã branca no centro. A nebulosa do Olho de Gato é um exemplo visualmente espetacular desse destino potencial, com a forma intrincada, em camadas e assimétrica desta em particular sugerindo uma companheira binária. No centro, uma jovem anã branca aquece à medida que se contrai, atingindo temperaturas dezenas de milhares de Kelvin mais quentes do que a gigante vermelha que a gerou. (NASA, ESA, HEIC e The Hubble Heritage Team (STScI/AURA); Agradecimentos: R. Corradi (Isaac Newton Group of Telescopes, Espanha) e Z. Tsvetanov (NASA))

Contanto que você não cruze um limiar de massa crítica, essas partículas serão suficientes para manter o remanescente estelar contra o colapso gravitacional, criando um estado degenerado conhecido como anã branca. Ela terá uma fração considerável da massa de sua estrela-mãe, mas comprimida em uma pequena fração do volume: aproximadamente o tamanho da Terra.

Os astrônomos agora sabem o suficiente sobre estrelas e evolução estelar para descrever o que acontece durante esse processo. Para uma estrela como o nosso Sol, aproximadamente 60% de sua massa será expelida nas camadas externas, enquanto os 40% restantes permanecem no núcleo. Para estrelas ainda mais massivas, até cerca de 7 ou 8 vezes a massa do nosso Sol, a fração de massa restante no núcleo é um pouco menor, chegando a um mínimo de cerca de 18% para a extremidade de alta massa. A estrela mais brilhante do céu da Terra, Sirius, tem uma anã branca companheira, visível na imagem do Hubble abaixo.

Sirius A e B, uma estrela normal (semelhante ao Sol) e uma estrela anã branca, conforme fotografado pelo telescópio espacial Hubble. Embora a anã branca tenha uma massa muito menor, seu tamanho minúsculo, semelhante ao da Terra, garante que sua velocidade de escape seja muitas vezes maior. Além disso, sua taxa de rotação será muito, muito maior do que a velocidade de rotação que tinha em seu auge, quando era uma estrela de pleno direito. (NASA, ESA, H. Bond (STScI) e M. Barstow (Universidade de Leicester))

Sirius A é um pouco mais brilhante e mais massivo que o nosso Sol, e acreditamos que Sirius B contou uma história semelhante, mas ficou sem combustível há muito tempo. Hoje, Sirius A domina esse sistema, com cerca de duas vezes a massa do nosso Sol, enquanto Sirius B é apenas aproximadamente igual à massa do nosso Sol.

No entanto, com base em observações de as anãs brancas que por acaso pulsam , aprendemos uma lição valiosa. Em vez de levar vários dias ou até (como o nosso Sol) aproximadamente um mês para completar uma rotação completa, como as estrelas normais tendem a fazer, as anãs brancas completam uma rotação completa de 360° em menos de uma hora. Isso pode parecer bizarro, mas se você já viu uma rotina de patinação artística, o mesmo princípio que explica um patinador giratório que puxa os braços explica a velocidade rotacional das anãs brancas: a lei da conservação do momento angular.

Quando uma patinadora artística como Yuko Kawaguti (foto aqui da Copa da Rússia de 2010) gira com os membros longe do corpo, sua velocidade de rotação (medida pela velocidade angular, ou o número de revoluções por minuto) é menor do que quando ela puxa sua massa para perto de seu eixo de rotação. A conservação do momento angular garante que, à medida que ela puxa sua massa para mais perto do eixo central de rotação, sua velocidade angular aumenta para compensar. (deerstop / Wikimedia Commons)

O que acontece, então, se você pegar uma estrela como o nosso Sol – com a massa, volume e velocidade de rotação do Sol – e comprimi-la em um volume do tamanho da Terra?

Acredite ou não, se você assumir que o momento angular é conservado e que tanto o Sol quanto a versão comprimida do Sol que estamos imaginando são esferas, esse é um problema completamente solucionável com apenas uma resposta possível. Se formos conservadores e assumirmos que a totalidade do Sol gira uma vez a cada 33 dias (a maior quantidade de tempo que leva qualquer parte da fotosfera do Sol para completar uma rotação de 360°) e que apenas os 40% internos do Sol se tornam uma anã branca, você obtém uma resposta notável: o Sol, como uma anã branca, completará uma rotação em apenas 25 minutos.

Quando as estrelas de menor massa, semelhantes ao Sol, ficam sem combustível, elas explodem suas camadas externas em uma nebulosa planetária, mas o centro se contrai para formar uma anã branca, que leva muito tempo para desaparecer na escuridão. A nebulosa planetária que nosso Sol irá gerar deve desaparecer completamente, restando apenas a anã branca e nossos planetas remanescentes, após aproximadamente 9,5 bilhões de anos. Ocasionalmente, os objetos serão dilacerados pela maré, adicionando anéis empoeirados ao que resta do nosso Sistema Solar, mas serão transitórios. A anã branca vai girar muito, muito mais rápido do que o nosso Sol atualmente. (Mark Garlick / Universidade de Warwick)

Ao aproximar toda essa massa do eixo de rotação do remanescente estelar, garantimos que sua velocidade de rotação deve aumentar. Em geral, se você reduzir pela metade o raio que um objeto tem enquanto gira, sua velocidade de rotação aumenta por um fator de quatro. Se você considerar que são necessárias aproximadamente 109 Terras para atravessar o diâmetro do Sol, você pode obter a mesma resposta para si mesmo.

Sem surpresa, então, você pode começar a perguntar sobre estrelas de nêutrons ou buracos negros: objetos ainda mais extremos. Uma estrela de nêutrons é tipicamente o produto de uma estrela muito mais massiva que termina sua vida em uma supernova, onde as partículas no núcleo ficam tão comprimidas que se comportam como um núcleo atômico gigante composto quase exclusivamente (90% ou mais) de nêutrons. As estrelas de nêutrons têm normalmente o dobro da massa do nosso Sol, mas apenas cerca de 20 a 40 km de diâmetro. Eles giram muito mais rapidamente do que qualquer estrela conhecida ou anã branca jamais poderia.

Uma estrela de nêutrons é uma das coleções mais densas de matéria do Universo, mas há um limite superior para sua massa. Exceda-o e a estrela de nêutrons entrará em colapso para formar um buraco negro. A estrela de nêutrons que gira mais rápido que já descobrimos é um pulsar que gira 766 vezes por segundo: mais rápido do que o nosso Sol giraria se o desmoronássemos até o tamanho de uma estrela de nêutrons. (ESO/Luís Calçada)

Se, em vez disso, você fizesse o experimento mental de comprimir todo o Sol em um volume de 40 quilômetros de diâmetro, obteria uma taxa de rotação muito, muito mais rápida do que a de uma estrela anã branca: cerca de 10 milissegundos. Esse mesmo princípio que aplicamos a um patinador artístico, sobre a conservação do momento angular, nos leva à conclusão de que estrelas de nêutrons podem completar mais de 100 rotações completas em um único segundo.

Na verdade, isso se alinha perfeitamente com nossas observações reais. Algumas estrelas de nêutrons emitem pulsos de rádio ao longo da linha de visão da Terra para elas: pulsares. Podemos medir os períodos de pulso desses objetos e, enquanto alguns deles levam aproximadamente um segundo inteiro para completar uma rotação, alguns deles giram em apenas 1,3 milissegundos, até um máximo de 766 rotações por segundo.

Uma estrela de nêutrons é muito pequena e com baixa luminosidade geral, mas é muito quente e leva muito tempo para esfriar. Se seus olhos fossem bons o suficiente, você o veria brilhar milhões de vezes a idade atual do Universo. Estrelas de nêutrons emitem luz de raios-X para a parte de rádio do espectro, e algumas delas pulsam com cada rotação de nossa perspectiva, permitindo-nos medir seus períodos de rotação. (ESO/L. Calçada)

Esses pulsares de milissegundos estão se movendo rapidamente. Em suas superfícies, essas taxas de rotação correspondem a velocidades relativísticas: excedendo 50% a velocidade da luz para os objetos mais extremos. Mas as estrelas de nêutrons não são os objetos mais densos do Universo; essa honra vai para os buracos negros, que pegam toda essa massa e a comprimem em uma região do espaço onde mesmo um objeto se movendo na velocidade da luz não poderia escapar dela.

Se você comprimisse o Sol em um volume de apenas 3 quilômetros de raio, isso o forçaria a formar um buraco negro. E, no entanto, a conservação do momento angular significaria que grande parte dessa região interna sofreria um arrasto de quadro tão severo que o próprio espaço seria arrastado a velocidades próximas à velocidade da luz, mesmo fora do raio de Schwarzschild do buraco negro. Quanto mais você comprime essa massa, mais rápido o tecido do próprio espaço é arrastado.

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 dentro e fora 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. Kornmesser)

Realisticamente, não podemos medir o arrastamento de quadros do próprio espaço. Mas podemos medir os efeitos de arrasto de quadro na matéria que existe dentro desse espaço, e para buracos negros, isso significa olhar para os discos de acreção e fluxos de acreção ao redor desses buracos negros. Talvez paradoxalmente, os buracos negros de menor massa, que têm os menores horizontes de eventos, na verdade têm as maiores quantidades de curvatura espacial perto de seus horizontes.

Você pode pensar, portanto, que eles seriam os melhores laboratórios para testar esses efeitos de arrastamento de quadros. Mas a natureza nos surpreendeu nessa frente: um buraco negro supermassivo no centro da galáxia NGC 1365 teve a radiação emitida do volume fora dele detectada e medida, revelando sua velocidade. Mesmo nessas grandes distâncias, o material gira a 84% da velocidade da luz. Se você insistir que o momento angular seja conservado, não poderia ter acontecido de outra maneira.

Embora o conceito de como o espaço-tempo flui para fora e para dentro do horizonte de eventos (externo) de um buraco negro rotativo seja semelhante ao de um buraco negro não rotativo, existem algumas diferenças fundamentais que levam a alguns detalhes incrivelmente diferentes quando você considera o que é um buraco negro não rotativo. observador que cai por esse horizonte verá os mundos externos (e internos). As simulações são interrompidas quando você encontra o horizonte de eventos externo. (Andrew Hamilton/JILA/Universidade do Colorado)

É uma coisa tremendamente difícil de intuir: a noção de que os buracos negros devem girar quase à velocidade da luz. Afinal, as estrelas de que os buracos negros são construídos giram extremamente lentamente, mesmo para os padrões da Terra de uma rotação a cada 24 horas. No entanto, se você se lembrar de que a maioria das estrelas do nosso Universo também tem volumes enormes, perceberá que elas contêm uma enorme quantidade de momento angular.

Se você compactar esse volume para ficar muito pequeno, esses objetos não terão escolha. Se o momento angular precisa ser conservado, tudo o que eles podem fazer é aumentar suas velocidades de rotação até quase atingirem a velocidade da luz. Nesse ponto, as ondas gravitacionais entrarão em ação e parte dessa energia (e momento angular) será irradiada. Se não fosse por esse processo, os buracos negros podem não ser negros, revelando singularidades nuas em seus centros. Neste Universo, os buracos negros não têm escolha a não ser girar em velocidades extraordinárias. Talvez algum dia possamos medir isso diretamente.

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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