Os buracos negros permaneceram um tópico de estudo. Crédito de imagem: NASA / Alain Riazuelo

Os avanços na tecnologia ajudaram os astrofísicos a aprenderem mais sobre como funcionam os buracos negros.

Albert Einstein levou 10 anos para encontrar as equações da relatividade geral, mas o astrofísico alemão Karl Schwarzschild só precisou de alguns meses para resolvê-las. A solução de Schwarzschild descreve a gravidade de um objeto isolado, esférico e imutável como um buraco negro.

Os buracos negros ajudaram a explicar novas descobertas astronômicas, tornando-se ingredientes essenciais da astrofísica. A ciência considerava os buracos negros abstrações até os anos 1960. A recente descoberta experimental de ondas gravitacionais mudou nossa compreensão do que são os buracos negros.

Em 2016, a colaboração LIGO-Virgo detectou ondas gravitacionais geradas por dois buracos negros que se fundiram, abrindo uma nova era da astronomia comemorada no Prêmio Nobel de Física 2017.

Em 2019, o Event Horizon Telescope divulgou uma imagem do buraco negro supermassivo na vizinha galáxia M87. No ano seguinte, o Prêmio Nobel de Física reconheceu os estudos teóricos pioneiros sobre buracos negros de Roger Penrose e os observacionais de Andrea Ghez e Reinhard Genzel.

O que é um buraco negro?

A noção de buraco negro refletida na ciência popular depende da ideia no horizonte de eventos - isto é, quando a velocidade necessária para escapar da atração gravitacional do buraco negro excede a velocidade da luz. O que quer que caia no horizonte de eventos está perdido para sempre.

O raio de Schwarzschild é o raio do horizonte de eventos e é proporcional à massa do buraco negro. Mas a definição de Schwarzschild tem uma armadilha: exige que saibamos que nada sairá do buraco negro. Isso significa que o buraco negro deve ser monitorado para sempre para saber que nada existe. Na prática, isso é impossível.

Outra solução matemática para as equações de Einstein descreve a formação de um buraco negro através do colapso de uma camada esférica de luz. Um horizonte de eventos se forma em seu centro, se expande para fora, encontra a concha de luz que avança no raio de Schwarzschild onde um buraco negro é formado.

Novos buracos negros

Não existem buracos negros perfeitamente isolados ou imutáveis. Os buracos negros do mundo real são cercados por discos que os orbitam, ventos estelares e matéria escura, todos os quais produzem matéria em queda que aumenta suas massas.

Os buracos negros geralmente existem aos pares, espiralando cada vez mais perto um do outro e emitindo ondas gravitacionais até que se fundam em um buraco negro maior, o horizonte muda com o tempo, dramaticamente na fusão.

As ondas gravitacionais LIGO / Virgo 2016 tiveram origem na espetacular fusão de dois buracos negros. No momento em que essas ondas alcançaram a Terra, elas eram mais fracas do que o ruído ambiente e só puderam ser identificadas combinando modelos teóricos do sinal esperado com os dados.

Grandes bancos de modelos são gerados em simulações de computador que obviamente não podem funcionar para sempre, como seria necessário se o buraco negro fosse caracterizado pelo horizonte de eventos eterno. Em vez disso, as simulações usam o horizonte aparente, caracterizado pela propriedade de que nada pode escapar dele agora.

Os horizontes aparentes desempenharam um papel crucial na astronomia das ondas gravitacionais recém-nascidas, mas são surpreendentemente pouco conhecidos.

Os buracos negros mudam porque vivem em um universo em expansão. O físico teórico Stephen Hawking previu que todos os buracos negros irradiam energia devido à mecânica quântica, o que os faz encolher. Embora desprezível para fins práticos, essa radiação é inevitável em princípio.

Novos entendimentos

Nossa compreensão dos buracos negros é baseada na definição matemática de horizonte. O horizonte aparente é definido pelo comportamento dos raios de luz em sua vizinhança: os raios não podem escapar (e como nada se move mais rápido do que a luz, nada escapa) no momento presente.

Mas como os raios de luz se comportam depende de o observador descrevê-los usando simulações matemáticas. Visto que, na relatividade, o tempo e o espaço dependem do observador, a localização onde os raios param e o tempo presente são diferentes para diferentes observadores. Portanto, o próprio horizonte aparente depende do observador.

A própria existência do buraco negro passou a depender do observador, enquanto o antigo horizonte de eventos era universal.

A matemática que expressa o novo conceito de buraco negro nos diz que, mesmo no caso de Schwarzschild, existem certos observadores segundo os quais não há horizonte aparente e, portanto, nenhum buraco negro! É certo que esses observadores matemáticos são muito artificiais. Todas as observações naturais (aquelas que ocorrem através da observação do comportamento real de um buraco negro) que percebem a geometria de Schwarzschild como esférica, concordam sobre a existência e localização do horizonte aparente.

Os cientistas finalmente detectaram ondas gravitacionais de buracos negros, mas tiveram que mudar a maneira como as entendem. A essência da teoria do buraco negro agora é diferente.

 
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