Como os buracos negros se formam e por que são os objetos mais extremos do universo

Um buraco negro é uma região do espaço onde a gravidade é tão forte que nada, nem mesmo a luz, pode escapar depois que cruza um limite chamado horizonte de eventos, de acordo com a NASA. Essa única propriedade —uma superfície de sentido único no espaço— é o que torna esses objetos, e não seu tamanho visível, os ambientes mais extremos conhecidos na física.

Como um buraco negro se forma

O caminho melhor compreendido é o colapso estelar. A NASA explica que as estrelas com mais de aproximadamente 20 vezes a massa do Sol eventualmente esgotam seu combustível nuclear; o núcleo então colapsa para dentro enquanto as camadas externas são expelidas em uma explosão de supernova. Se o núcleo esmagado que permanece ainda contém mais de aproximadamente três massas solares, a NASA afirma que nenhuma força conhecida pode impedir que esse núcleo colapse em um buraco negro.

A ESA descreve o mesmo mecanismo: uma vez que um núcleo estelar acima desse limiar de massa é comprimido em um volume pequeno o suficiente, sua própria gravidade sobrepuja todas as outras forças físicas, e o objeto continua encolhendo até que a luz não consiga mais deixá-lo. Os buracos negros podem continuar crescendo posteriormente ao atrair gás circundante, um processo chamado acreção, de acordo com a NASA. A ESA observa que a acreção sozinha dificilmente consegue explicar como alguns buracos negros supermassivos cresceram tão grandes tão cedo na história do universo, o que é uma razão pela qual os cientistas estudam buracos negros de massa intermediária como um possível elo perdido.

Uma ideia separada e menos estabelecida diz respeito aos momentos mais iniciais do universo. Algumas teorias propõem que buracos negros primordiais poderiam ter se formado diretamente a partir de condições extremas logo após o Big Bang, sem nenhuma estrela envolvida. A ESA diz que sua missão Euclid pode ajudar a testar se tais objetos existem e se poderiam explicar parte da matéria escura do universo.

Quatro classes, definidas pela massa

NASA e ESA agrupam os buracos negros em categorias baseadas principalmente em quanta massa eles contêm, já que a massa determina o tamanho, a força da gravidade e a rota de formação.

O que as torna extremas

O horizonte de eventos é a característica que distingue os buracos negros. A NASA o descreve como o ponto onde a velocidade de escape necessária para deixar o objeto excede a velocidade da luz, de modo que nada —incluindo a própria luz— pode atravessar para fora. Como nenhuma luz escapa, os próprios buracos negros não emitem luz; o que os astrônomos detectam é o brilho da matéria logo fora desse limite.

Esse brilho vem do disco de acreção, matéria puxada de estrelas próximas ou nuvens de gás que espirala para dentro e aquece conforme se aproxima do horizonte de eventos, de acordo com a descrição da NASA sobre a anatomia do buraco negro. Ao redor de buracos negros supermassivos alimentando-se ativamente, essa região —chamada corona— atinge temperaturas de cerca de um bilhão de graus e produz raios-X de alta energia, com partículas se movendo a velocidades próximas à velocidade da luz.

No centro, a relatividade geral prevê uma singularidade, um ponto onde a matéria é comprimida a densidade infinita, de acordo com a NASA. É descrita como o destino final de qualquer coisa que caia além do horizonte de eventos, embora os físicos observem que este é o lugar onde as teorias atuais da gravidade se desintegram em vez de fornecer uma descrição completamente testada do que realmente acontece lá.

Vendo um buraco negro diretamente

Porque os buracos negros não emitem luz própria, os astrônomos não podem fotografá-los diretamente —eles formam imagens da sombra que um buraco negro projeta no gás brilhante ao seu redor. O Telescópio do Horizonte de Eventos (EHT), uma rede global de observatórios de rádio vinculados por uma técnica chamada interferometria de linha de base muito longa, produziu a primeira imagem desse tipo do buraco negro supermassivo M87* em 2019 e de Sagittarius A*, o buraco negro central da Via Láctea, em 2022, de acordo com o Observatório Europeu do Sul (ESO), um parceiro na colaboração do EHT.

A ESO afirma que Sagittarius A* tem uma massa de aproximadamente 4 milhões de vezes a do Sol e fica a aproximadamente 27.000 anos-luz da Terra, mas do nosso ponto de vista a ESO o descreve como parecendo não maior do que uma rosca pareceria se colocada na superfície da Lua. A NASA informou separadamente que M87*, capturado pelo EHT em 2019, contém mais de 6 bilhões de massas solares, com um horizonte de eventos que a NASA diz que se estenderia bem além dos planetas do sistema solar.

A ESO observa que tais imagens permitem aos cientistas sondar diretamente o comportamento do espaço-tempo no limite de um buraco negro, uma forma de testar a relatividade geral nas condições gravitacionais mais extremas disponíveis para observação.