O que são buracos negros e como se formam: um guia completo

Imagine uma região do Universo onde a gravidade se torna tão avassaladora que nem mesmo a luz consegue escapar. Trata-se precisamente de um buraco negro, um fenómeno cósmico onde a densidade e a gravidade atingem o infinito no seu centro, um ponto chamado 'singularidade'.

A zona sem retorno é conhecida como horizonte de eventos, marcando o ponto além do qual nada pode escapar da sua implacável atração gravitacional. O tamanho desse horizonte, diretamente relacionado com a massa do buraco negro, é chamado de raio de Schwarzschild.

Os buracos negros são caracterizados por três propriedades fundamentais: a sua massa, o seu spin (ou rotação) e a sua carga elétrica. Um buraco negro sem rotação ou carga é chamado de buraco negro de Schwarzschild; já um com rotação é chamado de buraco negro de Kerr.

Além disso, para buracos negros sem rotação, existe uma esfera de fotões a uma distância específica. Dentro dessa fronteira peculiar, a luz pode ser aprisionada, girando em órbitas circulares em seu redor. Foi Karl Schwarzschild quem, em 1916, propôs a sua existência como solução para as equações de Einstein.

Soluções para buracos negros rotativos vieram depois, de Roy Kerr em 1963, e para buracos negros eletricamente carregados, de Ezra Newman em 1965. Embora a evidência observacional inicial tenha sido indireta, a deteção de ondas gravitacionais em 2016 deu-nos a primeira evidência direta da sua existência.

Tipos de buracos negros: um universo de tamanhos surpreendentes

Dependendo da sua massa, os buracos negros são classificados em várias categorias. Buracos negros de massa estelar, com massas que variam de 3 a 100 vezes a massa do nosso Sol, nascem do colapso de estrelas massivas à medida que esgotam o seu combustível. Muitos foram detetados utilizando interferómetros de ondas gravitacionais, confirmando a sua abundância.

Há também os buracos negros supermassivos (SMBHs na sigla em inglês), que excedem um milhão de massas solares e geralmente são encontrados no coração de galáxias gigantes. Acredita-se que eles cresçam a partir de buracos negros de massa estelar através de acreção e fusões.

A melhor evidência da sua existência vem da medição do movimento de estrelas em redor do centro galáctico, como Sagitário A*, que tem pouco mais de três milhões de massas solares. Além disso, o Event Horizon Telescope forneceu-nos a primeira imagem da "sombra" de buracos negros na galáxia M87 e na nossa Via Láctea.

Outra categoria são os buracos negros de massa intermediária (IMBHs, na sigla em inglês), com massas entre 100 e 1 milhão de massas solares. Postula-se que estes sejam as "sementes" de buracos negros supermassivos no Universo primordial, formando-se de várias maneiras. A deteção de ondas gravitacionais pelos observatórios LIGO e Virgo num buraco negro com massa de 142 massas solares é a melhor evidência até ao momento.

Detetando o invisível: como encontramos buracos negros

Detetar algo tão elusivo quanto um buraco negro exige engenhosidade. Uma técnica fundamental são as medições dinâmicas de massa, que observam como eles afetam o ambiente em seu redor. Para buracos negros estelares, a curva de velocidade radial de uma estrela companheira é estudada em sistemas binários de raios-X.

Para buracos negros supermassivos, os cientistas monitorizam o movimento das estrelas perto dos seus centros e modelam a dinâmica do gás e das estrelas. Para buracos negros supermassivos, oscilações quase periódicas são às vezes utilizadas. É como deduzir a presença de um animal invisível a partir dos rastros que ele deixa para trás.

Outra pista crucial são os Núcleos Galácticos Ativos (AGN, na sigla em inglês), que são buracos negros supermassivos que devoram ativamente matéria nas primeiras galáxias a formar-se. Eles podem ser identificados por características nos seus espectros ópticos ou infravermelhos, ou pela presença de certos tipos de elementos.

A chegada da astronomia de ondas gravitacionais revolucionou a deteção, medindo ondulações no espaço-tempo geradas por objetos massivos acelerados, como dois buracos negros em fusão. Estas ondulações foram detetadas pela primeira vez em 2015, alcançando um marco impressionante.

O impacto dos buracos negros: evolução cósmica e futuro

Uma das descobertas mais importantes é a acreção de buracos negros, um processo de "alimentação" e ejeção de jatos luminosos gigantes de raios-X. De facto, existe uma correlação entre essa luminosidade e a massa do buraco negro, fornecendo uma ferramenta poderosa para "ponderá-lo".

Outra descoberta importante é a coevolução entre buracos negros e galáxias. Existe uma forte relação entre a massa de buracos negros supermassivos e as propriedades das suas galáxias hospedeiras, sugerindo que eles crescem sincronizadamente, influenciando-se mutuamente ao longo de éons cósmicos.

O principal mecanismo por detrás dessa evolução é o feedback do AGN. Os ventos ou jatos gerados pelo buraco negro impactam a formação estelar na galáxia, regulando assim o seu crescimento. É uma dança cósmica onde o buraco negro é o condutor.

Futuras instalações observacionais prometem um salto gigantesco na nossa compreensão. Telescópios como o SKA, os satélites Athena e Lynx, ou o Telescópio Einstein e os detetores de ondas gravitacionais LISA permitir-nos-ão explorar a formação e a evolução dos buracos negros como nunca antes. O futuro reserva descobertas empolgantes!

Referência da notícia

Black Holes. Mar Mezcua. Outubro, 2021. arXiv e-prints.