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 fenômeno cósmico onde a densidade e a gravidade atingem o infinito em 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 de sua implacável atração gravitacional. O tamanho desse horizonte, diretamente relacionado à massa do buraco negro, é chamado de raio de Schwarzschild.

Os buracos negros são caracterizados por três propriedades fundamentais: sua massa, seu spin (ou rotação) e 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 fótons a uma distância específica. Dentro dessa fronteira peculiar, a luz pode ser aprisionada, girando em órbitas circulares ao seu redor. Foi Karl Schwarzschild quem, em 1916, propôs 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 detecção de ondas gravitacionais em 2016 nos deu a primeira evidência direta de sua existência.

Tipos de buracos negros: um universo de tamanhos surpreendentes

Dependendo de 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 seu combustível. Muitos foram detectados usando interferômetros de ondas gravitacionais, confirmando 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 por meio de acreção e fusões.

A melhor evidência de sua existência vem da medição do movimento de estrelas ao redor do centro galáctico, como Sagitário A*, que tem pouco mais de três milhões de massas solares. Além disso, o Event Horizon Telescope nos forneceu a primeira imagem da "sombra" de buracos negros na galáxia M87 e em 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 diversas maneiras. A detecção de ondas gravitacionais pelos observatórios LIGO e Virgo em um buraco negro com massa de 142 massas solares é a melhor evidência até o momento.

Detectando o invisível: como encontramos buracos negros

Detectar 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 ao 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 monitoram o movimento das estrelas perto de seus centros e modelam a dinâmica do gás e das estrelas. Para buracos negros supermassivos, oscilações quase periódicas são às vezes usadas. 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 se formar. Eles podem ser identificados por características em seus espectros ópticos ou infravermelhos, ou pela presença de certos tipos de elementos.

A chegada da astronomia de ondas gravitacionais revolucionou a detecção, medindo ondulações no espaço-tempo geradas por objetos massivos acelerados, como dois buracos negros em fusão. Essas ondulações foram detectadas 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 fato, 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 de suas galáxias hospedeiras, sugerindo que eles crescem sincronizadamente, influenciando-se mutuamente ao longo de éons cósmicos.

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

Futuras instalações observacionais prometem um salto gigantesco em nossa compreensão. Telescópios como o SKA, os satélites Athena e Lynx, ou o Telescópio Einstein e os detectores de ondas gravitacionais LISA nos permitirão 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.