Buracos Negros Explicados: Como Se Formam, Como Funcionam e Foram Finalmente Fotografados

Um buraco negro é definido pela NASA como um objeto astronômico com uma atração gravitacional tão forte que nada, incluindo a luz, pode escapar dele. O ponto de não retorno ao redor de um buraco negro é chamado horizonte de eventos: dentro desse limite, a velocidade necessária para escapar excede a velocidade da luz, então nada que o cruze pode voltar para fora.

Como um buraco negro se forma

A rota mais bem compreendida é o colapso estelar. Segundo a NASA, uma estrela com mais de aproximadamente 20 vezes a massa do Sol eventualmente esgota o combustível nuclear em seu núcleo e colapsa sob sua própria gravidade. Esse colapso desencadeia uma explosão de supernova que afasta as camadas externas da estrela. Se o que resta do núcleo esmagado ainda exceder aproximadamente três massas solares, a NASA afirma que nenhuma força conhecida pode parar o colapso de continuar até se tornar um buraco negro.

Uma vez formado, um buraco negro pode crescer puxando gás circundante, arrancando material de uma estrela companheira, ou se fundindo com outro buraco negro, explica a NASA em sua página de visão geral de buraco negro.

Buracos negros supermassivos, encontrados nos centros de galáxias e variando de aproximadamente 100.000 a bilhões de massas solares segundo a NASA, são menos bem compreendidos. A NASA observa que sua origem ainda é uma questão aberta, já que parecem ter existido desde os primeiros estágios da formação de galáxias.

Horizonte de eventos, singularidade e as partes de um buraco negro

A descrição de 'anatomia' do buraco negro da NASA lista várias zonas distintas. No centro fica a singularidade, um ponto onde a matéria é esmagada ao que a NASA descreve como densidade infinita; os cientistas não têm certeza se isso é uma estrutura física ou um artefato matemático das equações. Ao seu redor fica o horizonte de eventos, o limite de não escape. Mais adiante, a luz da matéria que cai pode orbitar o buraco negro várias vezes antes de escapar, produzindo anéis finos visíveis ao redor da 'sombra' escura do buraco negro em imagens diretas — uma região que a NASA chama de esfera de fótons.

A matéria caindo em direção a um buraco negro tipicamente forma um disco de acreção quente e brilhante antes de cruzar o horizonte de eventos. Em muitos sistemas, parte desse material é redirecionada para jatos de partículas se movendo quase à velocidade da luz; em buracos negros supermassivos esses jatos podem se estender centenas de milhares de anos-luz, diz a NASA.

Provando que buracos negros existem: Penrose, Genzel e Ghez

Durante décadas buracos negros foram uma consequência matemática da relatividade geral de Einstein em vez de uma realidade física confirmada. A Academia Real Sueca de Ciências concedeu metade do Prêmio Nobel de Física de 2020 a Roger Penrose, cuja prova de 1965 — descrita no anúncio da própria Academia, reportado pelo ScienceDaily — mostrou que a formação de buraco negro é uma previsão robusta e inevitável da relatividade geral uma vez que um corpo suficientemente massivo e compacto colapsa, e que tal colapso necessariamente produz uma singularidade.

A outra metade do prêmio foi dividida entre Reinhard Genzel e Andrea Ghez, que lideraram equipes separadas rastreando as órbitas de estrelas no centro da Via Láctea por décadas usando alguns dos maiores telescópios do mundo. Seu trabalho, também resumido no anúncio do Nobel coberto pelo ScienceDaily, encontrou um objeto invisível de aproximadamente quatro milhões de massas solares concentrado em uma região não maior que o sistema solar — forte evidência do buraco negro supermassivo agora conhecido como Sagitário A*.

Detectando o indetectável: ondas gravitacionais e imagens diretas

Em 14 de setembro de 2015, os detectores gêmeos Advanced LIGO registraram um sinal, designado GW150914, correspondendo à forma de onda prevista de dois buracos negros espiralizando juntos e se fundindo. Segundo o resumo científico da Colaboração Científica LIGO, os dois buracos negros tinham massas de aproximadamente 36 e 29 vezes a do Sol, se fundindo em um único buraco negro de aproximadamente 62 massas solares a mais de um bilhão de anos-luz de distância; aproximadamente três massas solares foram convertidas em energia de ondas gravitacionais em uma fração de segundo. A detecção carregava uma significância estatística de mais de 5 sigma, significando que um alarme falso dessa magnitude seria esperado aproximadamente uma vez a cada 200.000 anos de dados comparáveis, relata LIGO.

Quatro anos depois, a Colaboração do Telescópio do Horizonte de Eventos (EHT) lançou a primeira imagem jamais vista da sombra de um buraco negro, tirada de M87*, o buraco negro supermassivo no centro da galáxia Messier 87. Como o Laboratório de Propulsão a Jato da NASA explica, o EHT liga radiotelescópios ao redor do globo em um único instrumento virtual usando interferometria de linha de base muito longa, alcançando resolução aproximadamente 4.000 vezes mais nítida que o Telescópio Espacial Hubble. A campanha de observação de abril de 2017 por trás da imagem, lançada em 2019, mediu M87* em aproximadamente 6,5 bilhões de massas solares, localizado aproximadamente 53 milhões de anos-luz de distância.

Em 12 de maio de 2022, a Colaboração EHT lançou uma segunda imagem histórica: Sagitário A*, o buraco negro central da Via Láctea. Como descrito por AAS Nova, os dados subjacentes foram registrados em abril de 2017, significando que mais de cinco anos passaram entre a observação e o lançamento da imagem. Sagitário A* é aproximadamente quatro milhões de massas solares e 27.000 anos-luz de distância — significando que parece aproximadamente do mesmo tamanho aparente no céu que o M87* muito mais massivo e distante, já que M87* fica aproximadamente 2.000 vezes mais longe e aproximadamente 1.500 vezes mais massivo. Os tamanhos medidos de anel e sombra de ambos os buracos negros corresponderam às previsões da relatividade geral, segundo AAS Nova, dando aos astrônomos confirmação independente da teoria de Einstein em massas de buracos negros vastamente diferentes.

Por que isso é importante para a física

Cada um desses resultados testa a relatividade geral em um regime que Einstein não podia observar diretamente: matéria e espaçotempo sob gravidade extrema. O sinal de onda gravitacional de GW150914 correspondeu à forma de onda prevista pela relatividade geral para um inspiraling, fusão e ringdown subsequente do buraco negro resultante, segundo a análise LIGO. Os diâmetros de anel medidos do EHT para M87* e Sagitário A* de mesma forma corresponderam às previsões de relatividade geral, por AAS Nova, dando aos cientistas dois métodos independentes de confirmação — ondas gravitacionais e imagens diretas — que convergem no mesmo marco teórico.