Como os buracos negros se formam, o que são e o que revelam sobre o universo

Um buraco negro é definido pela NASA como uma região do espaço onde a gravidade é forte o suficiente para que nada, incluindo luz, possa escapar uma vez que passa um limite chamado horizonte de eventos. Porque nenhuma luz escapa, os buracos negros em si não podem ser vistos diretamente; sua presença é inferida a partir de seus efeitos gravitacionais sobre a matéria próxima e, desde 2019, de imagens diretas do material brilhante ao seu redor.

Como um buraco negro se forma

De acordo com a NASA, uma estrela gera energia através de fusão nuclear em seu núcleo, e a pressão para fora dessa energia equilibra a atração para dentro da gravidade da própria estrela. Quando uma estrela com mais de 20 vezes a massa do Sol esgota seu combustível nuclear, esse equilíbrio se rompe. O núcleo colapsa sob seu próprio peso, desencadeando uma explosão de supernova que expulsa as camadas externas da estrela. Se o núcleo restante exceder aproximadamente três massas solares, a NASA afirma que continua colapsando em um buraco negro de massa estelar.

Nem toda estrela colapsante produz um buraco negro. Um núcleo abaixo de aproximadamente três massas solares tipicamente se torna uma estrela de nêutrons em vez disso, de acordo com a descrição da NASA sobre a evolução estelar. Uma vez que um buraco negro existe, ele pode crescer ainda mais ao puxar gás, poeira e até outras estrelas ou buracos negros que se aproximem demais.

Os três tipos principais

A NASA agrupa os buracos negros em três categorias amplas por massa. Os buracos negros de massa estelar, variando de aproximadamente três a várias dezenas de massas solares, estão espalhados pela Via Láctea e se formam de estrelas massivas que colapsam. Os buracos negros de massa intermediária, com aproximadamente 100 a mais de 10.000 massas solares, são mais raros e mais difíceis de confirmar; a NASA cita um dos exemplos mais convincentes identificados em 2019. Os buracos negros supermassivos, contendo de 100.000 a bilhões de massas solares, ficam nos centros da maioria das galáxias grandes, incluindo a Via Láctea.

Vendo o invisível: imagens diretas

Porque a luz não pode escapar de um buraco negro, astrônomos não podem fotografar o objeto em si. Em vez disso, o Telescópio do Horizonte de Eventos (EHT) — uma rede global de radiotelescópios atuando como um instrumento do tamanho da Terra, de acordo com a Fundação Nacional de Ciência (NSF) dos EUA — captura imagens do gás brilhante que gira ao redor de um buraco negro logo fora de seu horizonte de eventos. Em 10 de abril de 2019, a Colaboração EHT lançou a primeira imagem desse tipo, do buraco negro supermassivo no centro da galáxia M87, localizada aproximadamente 55 milhões de anos-luz da Terra e medida em aproximadamente 6,5 bilhões de massas solares, conforme o resumo da NSF.

Em 12 de maio de 2022, a Colaboração EHT lançou uma segunda imagem, desta vez de Sagitário A*, o buraco negro supermassivo no centro da nossa própria Via Láctea. A NSF a descreve como a primeira evidência visual direta desse objeto, com uma massa que a NSF fornece como aproximadamente 4 milhões de vezes a massa do Sol. Um resumo dos resultados em cosmoquest.org coloca de forma semelhante sua massa em aproximadamente quatro milhões de massas solares e sua distância em aproximadamente 27.000 anos-luz da Terra. Ambas as imagens mostram a mesma assinatura: uma sombra central escura circundada por luz brilhante e lensada do gás orbital superaquecido.

Ondulações no espaço-tempo: ondas gravitacionais

Uma linha separada de evidência vem das ondas gravitacionais — ondulações no espaço-tempo previstas pela teoria geral da relatividade de Albert Einstein em 1915. Em 14 de setembro de 2015, os detectores gêmeos do Observatório de Interferometria a Laser de Ondas Gravitacionais (LIGO) em Hanford, Washington, e Livingston, Louisiana, registraram um sinal designado GW150914, de acordo com um resumo científico do LIGO. O sinal veio da fusão de dois buracos negros com massas de aproximadamente 36 e 29 vezes a massa do Sol, que se combinaram em um único buraco negro de aproximadamente 62 massas solares. As três massas solares ausentes foram irradiadas como energia de ondas gravitacionais, afirma o LIGO, de um evento a mais de um bilhão de anos-luz de distância.

O LIGO relata que a detecção atingiu uma significância estatística de mais de cinco sigma, o que significa que uma falsa alarme dessa força seria esperada apenas uma vez a cada aproximadamente 200.000 anos de dados comparáveis. A forma de onda observada correspondia às previsões da relatividade geral, dando aos físicos uma nova forma de estudar buracos negros que não depende de luz alguma.

O que os buracos negros revelam sobre o universo

A descrição da NASA sobre a anatomia dos buracos negros identifica três zonas principais: o horizonte de eventos, o ponto de não retorno onde a velocidade de escape excede a velocidade da luz; o disco de acreção, a matéria em espiral cuja radiação permite aos astrônomos detectar buracos negros de outro modo invisíveis; e a singularidade no núcleo, onde a matéria é comprimida a uma densidade extrema e a física atual, incluindo relatividade geral, espera-se que falhe. A NASA observa que é aqui onde se acredita que efeitos quânticos se tornam importantes, significando que buracos negros marcam a fronteira onde relatividade e mecânica quântica devem eventualmente se encontrar.

Porque dobram a luz, distorcem o tempo e ancoram a estrutura das galáxias, buracos negros funcionam como laboratórios naturais. Observações de imagens diretas e de detectores de ondas gravitacionais fornecem aos cientistas duas formas independentes de testar se a gravidade se comporta como a teoria de Einstein prevê sob as condições mais extremas conhecidas no universo.