O que você veria ao cair em um buraco negro?
Embora os buracos negros sejam comumente mostrados como regiões escuras que parecem comer a matéria semelhante a um disco ao seu redor, o que você realmente vê é muito diferente dessa representação. Especialmente se você caiu dentro. Crédito da imagem: Bibliotecas de Birmingham.
Haveria apenas escuridão além do horizonte de eventos? Ou algo mais?
Os buracos negros são alguns dos objetos mais desconcertantes de todo o Universo. Objetos tão densos, onde a gravidade é tão forte, que nada, nem mesmo a luz, pode escapar dele. 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. A propriedade chave em torno do horizonte de eventos, que a luz nunca pode escapar de dentro dele, estabelece um limite no espaço: uma vez que você o atravessa, você está condenado a atingir a singularidade central. Mas o que você veria ao cair? As luzes permaneceriam acesas ou o Universo ficaria escuro? Finalmente, a física decifrou a resposta, e é lindo.
O buraco negro supermassivo no centro da nossa galáxia, Sagitário A*, brilha intensamente em raios-X sempre que a matéria é devorada. Ainda não temos imagens diretas do buraco negro lá, mas o Event Horizon Telescope, a 25.000 anos-luz de distância, pretende mudar isso. Crédito da imagem: Raio-X: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI.
No centro de nossa própria galáxia, pudemos observar os movimentos das estrelas em torno de uma massa de ponto central com uma massa em torno de 4 milhões de massas solares que não emite luz alguma. 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.
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. Há uma razão muito, muito boa pela qual uma vez que você passa por essa barreira invisível, você nunca pode sair! 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 .
O tecido do Universo, o espaço-tempo, é um conceito complicado de entender. Mas, graças à relatividade geral de Einstein, estamos à altura do desafio. Enquanto as massas normais curvam esse espaço-tempo significativamente, apenas os buracos negros o curvarão uma quantidade infinita no(s) ponto(s) onde existe uma singularidade. Crédito da imagem: usuário do Pixabay JohnsonMartin.
Quando você está muito longe de um buraco negro, o tecido do espaço é menos curvo. 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.)
Matéria, campos magnéticos e partículas aceleradas se combinam para criar o espetáculo visual em torno de buracos negros, que ainda não vimos; apenas calculado e visualizado através de impressões do artista como esta. Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech.
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, à medida que você se aproxima de um buraco negro, ele literalmente parece um buraco de escuridão total em silhueta contra o pano de fundo do espaço, com a luz do ambiente ao redor sendo fortemente distorcida.
Uma visualização de como seria um buraco negro em silhueta contra o pano de fundo da Via Láctea. Crédito da imagem: equipe SXS; Bohn et ai. 2015.
Para um buraco negro com a massa da Terra, essa esfera seria minúscula: cerca de 1 cm de raio, enquanto para um buraco negro com 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 !
O buraco negro no centro da Via Láctea deve ser comparável em tamanho à extensão física da estrela gigante vermelha Betelgeuse: maior que a extensão da órbita de Júpiter ao redor do Sol. Crédito da imagem: A. Dupree (CfA), R. Gilliland (STScI), NASA.
Então agora você está pronto para ver a visualização final: o que acontece quando você se aproxima e eventualmente entra em 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 sua espaçonave indestrutível e perfeitamente equipada, você começa a perceber 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.
Devido ao poder da Relatividade Geral de esticar e distorcer o espaço, a luz que vem de trás de um buraco negro será dobrada em torno dele, deixando um grande disco de escuridão, correspondente ao horizonte de eventos do buraco negro. Crédito da imagem: Ute Kraus, grupo de ensino de física Kraus, Universitat Hildesheim.
Ao contrário de todos os outros objetos que você está acostumado, onde eles parecem ficar visualmente maiores em proporção à distância que você está longe deles, esse buraco negro parece crescer muito mais rápido do que você esperava, graças à incrível curvatura do espaço .
Da nossa perspectiva na Terra, o buraco negro no centro galáctico parecerá minúsculo, com seu raio medido em micro-arco-segundos. Ainda assim, comparado ao raio ingênuo que você calcula na relatividade, ele parecerá 150% maior, devido à forma como o espaço é curvo. Se você se aproximar dele, com o tempo o horizonte de eventos deve ser do tamanho da Lua cheia no céu, na verdade é mais de quatro vezes maior que isso! 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. .
Quando você cai em um buraco negro ou simplesmente se aproxima muito do horizonte de eventos, seu tamanho e escala parecem muito maiores do que o tamanho real. Crédito da imagem: Andrew Hamilton/JILA/Universidade do Colorado.
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. Essa é uma enorme disparidade de apenas um objeto geométrico como aquele no espaço não curvo, que parece ser do tamanho do seu punho fechado.
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 fica totalmente preta. Uma vez que você cruza esse ponto, mesmo a direção traseira, que fica de costas para o buraco negro, começa a ser subsumida 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.
Assim como as linhas de campo elétrico dobradas em torno de uma esfera condutora são altamente distorcidas por uma única carga, também são as linhas de visão próximas ao horizonte de eventos de um buraco negro. Assim, todos os objetos aparecerão muito atrás de você, mesmo aqueles fisicamente à sua frente, quando você estiver perto o suficiente (ou dentro) do horizonte de eventos. 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. A visualização a seguir acerta na maioria das vezes, com exceção do deslocamento da luz para o azul.
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.
Esta seria a visão mais bizarra e exótica do Fundo de Microondas Cósmica que qualquer um poderia ver: a energia azul que vem de um único ponto atrás de você enquanto você experimenta seus momentos finais antes de encontrar a singularidade central do buraco negro. 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 outra matéria ou luz caindo no buraco negro à sua frente ou atrás de você. O vídeo abaixo mostra o que acontece se você permitir 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 dizem que há um gradiente gravitacional que está descendo, em direção a uma singularidade, em todas as direções! 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?
Qualquer coisa que se encontre dentro do horizonte de eventos que envolve um buraco negro, não importa o que mais esteja acontecendo no Universo, será sugada para a singularidade central. Crédito da imagem: Bob Gardner / ETSU.
É possível porque você está dentro do horizonte de eventos. Qualquer raio de luz (que você nunca poderia pegar) que você agora emitia acabaria caindo em direção à singularidade; você está 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!
O parabolóide de Flamm, mostrado aqui, representa a curvatura do espaço-tempo fora do horizonte de eventos de um buraco negro de Schwarzschild. Uma vez que você cai, está tudo acabado; sua melhor aposta é cair em queda livre como se tivesse caído do repouso. Somente essa trajetória maximizará seu tempo de sobrevivência. Crédito da imagem: AllenMcC. do Wikimedia Commons.
O pior é que qualquer aceleração que você fizer, 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 que aconteça - é nem tentar 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. Pela primeira vez, o Borg de Star Trek estava certo. Quando você cai em um buraco negro, a resistência é realmente inútil.
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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