Throwback Thursday: O que você veria ao cair em um buraco negro?
Crédito da imagem: Bibliotecas de Birmingham.
Haveria apenas escuridão além do horizonte de eventos? Ou algo mais?
Dizem que ‘um oceano plano é um oceano de problemas. E um oceano de ondas… também pode ser um problema.” Então, é tipo, esse equilíbrio. Você sabe, é aquela ótima maneira oriental de pensar, você sabe, eles pensam que o enganaram, e então, eles o fizeram. – Nigel Tufnel
Buracos negros são alguns dos objetos mais desconcertantes de todo o Universo. Objetos tão densos, onde a gravitação é tão forte, que nada, nem luz , pode escapar dele. Apesar dos desenvolvimentos recentes exagerados , isso é muito universalmente aceito.
Crédito da imagem: Impressão do Artista do MIT.
Muitos buracos negros físicos foram identificados, desde os de escala de massa estelar em nossa própria galáxia até os supermassivos nos centros da maioria das galáxias, muitos milhões ou mesmo bilhões de vezes a massa do nosso Sol. No centro da nossa própria galáxia, pudemos observar os movimentos das estrelas em torno de um ponto central de massa com uma massa em torno de 4 milhões de massas solares que emitem nenhuma luz em tudo .
Este objeto em particular – Sagitário A* – é um candidato infalível para um buraco negro, algo que podemos dizer diretamente medindo as estrelas que o orbitam há duas décadas.
Crédito das imagens: Schödel et ai. 2002 ; Eisenhauer et ai. 2005 .
Mas há uma série de coisas muito contra-intuitivas que acontecem quando você se aproxima do horizonte de eventos de um buraco negro, e as coisas ficam ainda piores quando você o atravessa. Como veremos, há muito, muito uma boa razão para que uma vez que você ultrapasse essa barreira invisível, você possa nunca saia ! Isso permanece verdadeiro, não importa em que classe de buraco negro você caiu, nem mesmo se você tivesse uma nave espacial capaz de acelerar em qualquer direção a uma taxa arbitrariamente grande.
Acontece que Relatividade geral é uma amante muito dura, principalmente quando se trata de buracos negros. A razão tem tudo a ver com a maior conquista de Einstein, que completa 100 anos este ano: tudo por causa de como um buraco negro, único entre as massas, se curva espaço-tempo .
Crédito da imagem: Adam Apollo.
Quando você está muito longe de um buraco negro, o tecido do espaço é menos curvado. Na verdade, quando você está muito longe de um buraco negro, sua gravidade é indistinguível de qualquer outra massa, seja uma estrela de nêutrons, uma estrela regular ou apenas uma nuvem difusa de gás. O espaço-tempo pode ser curvo, mas tudo o que você pode dizer em sua localização distante é que é devido à presença de uma massa, não quais são as propriedades ou distribuições dessa massa.
Mas se você olhar com os olhos, em vez de uma nuvem de gás, estrela ou estrela de nêutrons, haveria uma esfera completamente preta no centro, da qual nenhuma luz será visível. (Daí o preto no apelido de buracos negros.)
Crédito da imagem: Astronomia/Roen Kelly.
Essa região esférica, conhecida como Horizonte de eventos , não é uma entidade física, mas sim uma região do espaço — de um certo tamanho — do qual nenhuma luz pode escapar. De muito longe, parece ser do tamanho que realmente é, como seria de esperar.
Em outras palavras, como você aproximou-se um buraco negro, pareceria literalmente um buraco de escuridão total em silhueta contra o pano de fundo do espaço, com a luz do ambiente circundante sendo fortemente distorcida.
Crédito da imagem: equipe SXS; Bohn et al 2015.
Para um buraco negro com a massa da Terra, esta esfera seria minúsculo : cerca de 1 cm de raio, enquanto para um buraco negro a massa do Sol, a esfera estaria mais próxima de 3 km de raio. Se você dimensionar a massa (e, portanto, o tamanho) até um buraco negro supermassivo - como o de centro da nossa galáxia - isso seria mais parecido com o tamanho de uma órbita planetária ou uma estrela gigante vermelha como Betelgeuse !
Crédito da imagem: A. Dupree ( CfA ), R. Gilliland ( STScI ), NASA .
Então agora você está pronto para ver o site definitivo: o que acontece quando você se aproxima e, eventualmente, entrar um buraco negro?
De uma grande distância, a geometria aparente do que você vê funciona exatamente como você esperaria, combinando com seus cálculos. Mas enquanto você viaja, em seu nave espacial perfeitamente equipada e indestrutível , você começa a notar algo estranho ao se aproximar desse buraco negro. Se você reduzisse pela metade a distância entre você e uma estrela, o tamanho angular da estrela apareceria duas vezes maior. Se você reduzir a distância para um quarto, ela parecerá quatro vezes maior. Mas os buracos negros são diferentes.
Ao contrário de todos os outros objetos aos quais você está acostumado, onde eles parecem ficar visualmente maiores em proporção à distância que você está longe deles, esse buraco negro parece crescer Muito de mais rapidamente do que você esperava, graças à incrível curvatura do espaço.
Crédito da imagem: Ute Kraus, grupo de educação física Kraus, Universidade de Hildesheim.
Quando o horizonte de eventos deve ser do tamanho da Lua cheia no céu, na verdade é mais do que quatro vezes tão grande assim! A razão, é claro, é que o espaço-tempo se curva cada vez mais severamente à medida que você se aproxima do buraco negro, e assim as linhas de luz que você pode ver das estrelas do Universo que o cercam estão desastrosamente distorcidas. .
Crédito da imagem: Andrew Hamilton, que tem ótimos recursos visuais em http://jila.colorado.edu/hamilton/black-holes/research-black-holes .
Por outro lado, a área aparente do buraco negro parece crescer e crescer dramaticamente; quando você está a apenas alguns (talvez 10) raios de Schwarzschild de distância dele, o buraco negro cresceu para um tamanho tão aparente que bloqueia quase toda a visão frontal de sua nave espacial. Aquilo é um imenso disparidade de apenas um objeto geométrico como aquele em uma espaço curvo, que parece ser do tamanho de seu punho fechado com os braços estendidos.
À medida que você começa a se aproximar cada vez mais de ISCO - ou a órbita circular estável mais interna - que é 150% do raio do horizonte de eventos, você percebe que a visão frontal de sua nave espacial se torna inteiramente preto . Uma vez que você cruza esse ponto, mesmo a direção traseira, que enfrenta um jeito do buraco negro, começa a ser subsumido pela escuridão. Novamente, isso é por causa de como os caminhos de luz de vários pontos viajam neste espaço-tempo altamente curvado. Para aqueles de vocês (aficionados por física) que desejam uma analogia qualitativa, começa a se parecer muito com as linhas do campo elétrico quando você aproxima uma carga pontual de uma esfera condutora.
Crédito da imagem: J. Belcher no MIT.
Neste ponto, ainda não tendo cruzado o horizonte de eventos, você ainda pode sair. Se você fornecer aceleração suficiente para longe do horizonte de eventos, poderá escapar de sua gravidade e fazer o Universo voltar ao seu espaço-tempo seguro, longe do buraco negro e assintoticamente plano. Seus sensores gravitacionais podem dizer que há um gradiente descendente definido em direção ao centro da escuridão e longe das regiões onde você ainda pode ver a luz das estrelas.
Mas se você continuar sua queda em direção ao horizonte de eventos, eventualmente verá a luz das estrelas se comprimir em um pequeno ponto atrás de você, mudando de cor para o azul devido à mudança de azul gravitacional . No último momento antes de você cruzar o horizonte de eventos, esse ponto se tornará vermelho, branco e depois azul, à medida que as microondas cósmicas e os fundos de rádio se deslocam para a parte visível do espectro para seu último vislumbre final do lado de fora Universo, ainda assumindo que nada mais se encaixa com você.
Crédito da imagem: E. Siegel.
E então... escuridão. Nada. De dentro do horizonte de eventos, nenhuma luz do universo externo atinge sua nave espacial. Agora você pensa em seus fabulosos motores de naves espaciais e em como você pode tentar sair. Você se lembra para qual direção a singularidade estava e, com certeza, há um gradiente gravitacional em direção a essa direção.
Este tratamento pressupõe que não há de outros matéria ou luz caindo no buraco negro à sua frente ou atrás de você. O vídeo abaixo mostra o que acontece E se você permite que a luz do universo externo caia no buraco negro ao seu redor, o que acontece na vida real. Você cruzará o horizonte de eventos por volta da marca de 0:37 no vídeo.
O incrível é que, mesmo que você não estivesse sendo atingido por uma luz incidente que o alcança por trás – o que representa a metade do Universo visível que ainda tem algo a lhe mostrar – você ainda pode trazer sensores gravitacionais a bordo. Uma vez que você cruzasse o horizonte de eventos, havendo luz ou não, você encontraria algo chocante.
Seus sensores lhe dizem que há um gradiente gravitacional que é ladeira abaixo, em direção a uma singularidade, em todo instruções! O gradiente até parece descer em direção à singularidade diretamente atrás de você, na direção que você sabia ser completamente oposta à singularidade!
Como isso é possível?
Crédito da imagem: Cetin Bal.
É possível porque você lado de dentro o horizonte de eventos. Qualquer raio de luz (que você nunca poderia pegar) que você agora emitia acabaria caindo em direção à singularidade; tu es muito fundo na garganta do buraco negro para que ele acabe em qualquer outro lugar!
Quanto tempo você teria antes que isso acontecesse, ao cruzar o horizonte no buraco negro supermassivo de quatro milhões de massas solares no centro galáctico? Acredite ou não - apesar do fato de estarmos falando de um horizonte de eventos que pode ter cerca de uma hora-luz de diâmetro em nosso quadro de referência - levaria apenas cerca de 20 segundos para atingir a singularidade uma vez que você cruzou o horizonte de eventos. Espaço severamente curvo com certeza é uma dor!
Crédito da imagem: Observatório Chandra X-Ray da NASA, do buraco negro supermassivo (Sgr A*) no centro da nossa galáxia.
O pior é que qualquer aceleração você faz, supondo que você caiu do repouso (outras suposições são ligeiramente diferentes), o levará mais perto da singularidade a uma taxa ainda mais rápida! A maneira de maximizar seu tempo de sobrevivência neste momento - e não é muito longo, não importa o quê - é nem mesmo experimentar escapar! A singularidade está lá em todas as direções, e não importa para onde você olhe, é tudo ladeira abaixo a partir daqui.
E é isso que você veria, usando seus olhos e os gravitacionais, ao cair no objeto gravitacional mais compacto de toda a existência.
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