Ali andam os navios; e o leviatã que formaste para nele folgar.

Salmos 104:26

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Um assunto que está quase virando série aqui no CosmoTeo é sobre buracos negros: como glória de Deus ou monstros cósmicos também criados pelo Divino. Nessas duas colunas descrevi como observamos, universo afora, esses grandes objetos astronômicos que não emitem luz (fótons, radiação), mas que provocam enormes efeitos gravitacionais ao seu redor. Temos várias formas de detectar esses monstros, como foto direta (apenas uma até este momento), por radiação emitida de disco de acreção (tanto em centro de galáxias como em sistemas binários) ou por ondas gravitacionais (em processos de fusões com outros buracos negros.

A coluna de hoje começará a delinear por algo um pouco, talvez, mais complicado: o Nobel de Física de 2020 que foi dado a Roger Penrose, Reinhard Genzel e Andrea Ghez. Estes 3 grandes físicos foram premiados por descobertas matemáticas (Penrose) e observacionais (os outros 2) que atestam a vida dos buracos negros. É claro que, pelo ambiente teológico que o CosmoTeo está inserido, farei conexão com o texto bíblico (não que as Escrituras descrevem esses objetos). O propósito que pretendo é te explicar, caro leitor, o que é buraco negro (BN) em uma perspectiva mais detalhada do que é propagado (na maioria das vezes, erroneamente) na mídia e, no fim, que você tenha entendimento o suficiente para entender o contexto e a conexão com a revelação divina que há nesse assunto. Antes, o que é o Nobel de Física.

É uma premiação dada pela Real Academia Sueca de Ciências, anualmente, para pessoas que fizeram grandes contribuições na física, seja por trabalho individual (por exemplo, bóson de Higgs dado a Peter Higgs), uma linha de pesquisa (métodos de resfriamento e captura de átomos com laser, dado a Chu, Cohen-Tannoudji e Phillips) ou até mesmo por uma carreira (desenvolvimento teórico em cosmologia, dado a Peebles). Duzentas e quinze pessoas já receberam, entre 1901 (com Wihelm Röntgen, pela descoberta dos raios X) e as últimas são as que trabalharei hoje. O Nobel 2021 será anunciando em outubro. Essas e milhares de outras informações podem ser obtidas diretamente do site The Nobel Prize.

Os laureados de 2020, até o momento da premiação, tem vínculos ativos em pesquisa. Penrose é professor na University of Oxford. Genzel trabalha na University of California, em Berkeley, e no Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics. Já a simpática professora Ghez está na University of California de Los Angeles.

Fazendo uma recapitulação do que é um BN. Todos os corpos massivos têm gravidade e, para escapar de seu campo gravitacional (e partir para o espaço sideral) é necessário ter uma velocidade mínima. Essa velocidade depende apenas da massa do objeto (M) e do raio (R) que um corpo qualquer tem de distância até o centro. Por exemplo, a velocidade de escape da Terra é de 11,2 km/s (isso mesmo: por segundo): isso significa que para sair da força gravitacional do nosso planeta é necessário imprimir uma velocidade constante de 11,2 km/s durante um tempo até atingir o espaço. É claro que, na prática, isso não acontece: os foguetes são lançados do chão com velocidade zero e ela vai aumentando até ter essa escala e partir para a viagem. Apenas para comparação, algumas velocidades de escape: Sol, 617,5 km/s; Lua, 2,4 km/s e Marte, 5,0 km/s.

No séc. XVIII, dois grandes físicos e matemáticos, Michell e Laplace, teorizaram que alguns corpos celestes poderiam ser tão densos (ou seja, sua massa muito grande em relação ao seu volume) que a força gravitacional seria tão intensa que não deixaria a luz (velocidade, arredondando, de 300 mil km/s) sair de seu campo de atuação. Esses objetos foram chamados de estrelas escuras (dark stars). Um detalhe: quase sempre que você ouvir esse termo escuro (dark), pode inferir que é um objeto / fenômeno desconhecido (que não se sabe a fonte ou natureza). Por exemplo: matéria escura, energia escura e estrela escura. Claro que, hoje, já sabemos o que é estrela escura; e o nome foi trocado.

Vindo para o séc. XX temos a conhecida Relatividade Geral (RG) desenvolvida por Einstein e publicada em 1916. Aqui no CosmoTeo temos 2 textos exclusivos sobre Relatividade, onde você pode ver mais detalhes. Em 1916, o físico alemão Schwarzschild publica um trabalho interessante: ele resolveu as equações de campo da RG de uma forma elegante e até simples, surpreendendo até mesmo o próprio Einstein (aqui você pode ler o trabalho original traduzido do alemão para o inglês). O que ele fez, falando de forma muito superficial, foi construir uma métrica (uma régua; veja mais detalhes aqui) que caracteriza um objeto extremamente massivo. Na realidade, ele achou uma solução para as equações e, a partir delas, é possível descrever esse tipo de objeto de forma completa.

O então chamado BN de Schwarzschild é um corpo celeste que não tem rotação (como a Terra), é completamente esférico (igual uma bola de gude perfeita), tem um horizonte de eventos e uma singularidade. Em outras palavras, esse tipo de objeto que Schwarzschild descreveu seria uma espécie de BN perfeito: uma grande “bola” perfeitamente redonda, sem movimento de rotação e sem se mexer. É claro que isso é, na prática, impossível de acontecer: qualquer estrela passando perto desse tipo de buraco negro pode produzir movimento, por menor que seja (rotação ou translação), sem contar os efeitos quânticos na interação dinâmica gravitacional (que podem ocorrer perto do limite do buraco negro, o horizonte de eventos).

De forma didática e apenas para entendimento visual, vamos ver como é um B, suas partes e algumas características antes de entrar nos trabalhos dos laureados em física de 2020. Veja a figura simples abaixo:

Toda a região preta é o interior do B. A borda azul (cor apenas representativa) é o horizonte de eventos: “película” que separa o meio exterior do interior. A reta vermelha é o raio dessa esfera (pense que esse objeto está representando uma bola ou está em 3 dimensões); no caso, o raio de Schwarzschild. O centro do B, representado por um ponto branco, é a singularidade: é um ponto sem dimensão com volume zero com toda a massa concentrada. Lembrando que densidade é massa dividida por volume, o que se tem nesse ponto de volume zero é uma densidade infinita. É claro que esses conceitos (volume zero, densidade infinita e ponto sem dimensão) não tem “representação” real ou são palpáveis, fisicamente falando: por isso que esse ponto muito peculiar é chamado de singularidade: onde nada faz sentido físico mas tem descrição matemática com infinitos.

Uma palavra sobre os tipos de buracos negros. O primeiro a ser caracterizado é o de Schwarzschild, mas ao longo das décadas seguintes, outros apareceram. O BN de Kerr é um tipo que tem rotação, singularidade, horizonte de eventos e ergosfera. Ou seja, ele tem todas as características do BN de Schwarzschild, com acréscimo de rotação e uma região externa e bem perto do horizonte de eventos (ergosfera):

Um outro tipo de BN, também com descrição apenas teórica (assim como os outros 2: Schwarzschild e Kerr), é o de Reissner-Nordström: ele não tem rotação, possui singularidade, horizonte de eventos e carga elétrica. É como se fosse um buraco negro de Schwarzschild só que acrescido de carga elétrica. Já o último tipo teórico (como os outros 3 anteriores: não há contrapartida observacional de que eles existam ou não) é o BN de Kerr-Newman. Ele tem tudo: rotação, horizonte de eventos (além de um outro tipo de horizonte: de Cauchy), ergosfera, carga elétrica e singularidade. É, na minha opinião, o mais fácil de existir, pois tem muitas características físicas muito plausíveis dado as condições de nascimento de um BN (a partir da implosão de estrelas massivas ou de fusão de outros buracos negros).

Saindo dessas questões teóricas temos outras classificações de buracos negros, mas que advém de observações astronômicas. Olhando para as características físicas descritas pela teoria dos buracos negros (que vem da RG), o que dá para “observar” é apenas o efeito gravitacional ao redor desses monstros. E, como sabemos da gravitação universal de Newton, para “vermos” efeitos gravitacionais, basta sabermos distâncias entre os objetos e suas massas. Para sabermos sobre a massa, uma das formas é ver a dinâmica ao redor do BN e usar as leis de Kepler.

Resumindo: uma outra classificação, que chamo de astronômica, para os buracos negros está relacionado apenas com sua massa. Relembrando a nossa unidade de massa no sentido astronômico: 1 massa solar significa a massa do nosso Sol (1,99.10³⁰ kg ou 1.990.000.000.000.000.000.000.000.000.000 kg. É melhor dizer 1 massa solar, não?). Nesse sentido, temos:

• BN estelar: dezenas de massas solares;
• BN de massa intermediária: dezenas a 1 milhão de massas solares;
• BN supermassivo: milhões a bilhão de massas solares;
• BN ultramassivo: bilhões de massas solares.

Agora, as observações. Temos diversas imagens reais de fenômenos gravitacionais ao redor de buracos negros: estrelas rotacionando um ponto preto que não tem emissão qualquer de radiação. Quando se calcula o quanto de massa é necessário, usando as leis de Kepler, para tal movimento, se chega à conclusão de que só pode ser um BN com uma massa tão grande em um volume tão pequeno e sem emissão de radiação. Também, temos emissão de radiação muito intensa vindo de centro de galáxias e de outras regiões estelares que não correspondem ao conjunto de objetos conhecidos: a quantidade de radiação é muito intensa e quando se calcula o que pode ser tal objeto, a conclusão é unanime para um BN.

Um ponto importantíssimo, já mencionado só que é necessário reforçar: BN não emite radiação / luz. Ou seja, nas imagens que vemos de emissão de jatos relativísticos (uma espécie de laser composto por fótons, prótons e elétrons) ou qualquer outro tipo de radiação, a origem dela é ao redor do BN (do disco de acreção) e não do buraco negro. Veja a imagem abaixo:

A região preta é o nosso tradicional BN (que pode ser de qualquer um dos 4 tipos teóricos citados acima). Ao redor do BN tem o disco de acreção: é um grande plasma (material “derretido” com temperatura na escala de 100 milhões de graus Celsius) com carga elétrica (movimento de partículas e cargas elétricas). Lembrando de eletromagnetismo: movimento de cargas elétricas gera campo magnético; variação de campo magnético gera campo elétrico e assim sucessivamente. Como o disco de acreção está continuamente caindo para dentro do BN (ele pode ser alimentado por uma estrela destroçada, poeira e gás do meio próximo) e rotacionando (como se fosse uma água escorrendo pelo ralo da pia), as linhas de campo eletromagnético podem se entrelaçar e as cargas (prótons, elétrons e nêutrons com fótons) e gerar os jatos relativísticos.

A escala de tamanho é assustadoramente grande: o BN pode ter a massa de dezenas a bilhões de massas solares e chegar a um raio de mais de 100 bilhões de km (isso dá 10 viagens, de ida e volta, da Terra a Plutão); esse número é o que calculei para o maior BN que conheço (possui 34 bilhões de massas solares). O disco de acreção pode ter anos-luz de tamanho (1 ano-luz é, arredondando, 9,5 trilhões de km). Já os jatos relativísticos (que viajam universo afora) podem ter tamanhos (nas observações) da ordem de milhares de anos-luz, como é o caso do BN da galáxia M87.

Na próxima coluna sobre buracos negros falarei sobre as contribuições teóricas do físico e matemático Penrose e as observações de Genzel e Ghez; esses 3 cientistas foram laureados com o Nobel de Física em 2020 e merecem detalhes sobre seus trabalhos que expandiram nosso conhecimento sobre esses monstros cósmicos. A teologia, como é natural de se esperar, vai entrar na parte da doutrina cristã da criação (termo que tomo emprestado do cientista cristão Alister McGrath): Deus é o criador e o sustentador de toda a natureza, incluindo estes objetos. Finalizo com a citação do salmista que, na sua época, universo era a Terra e o que se observava (a olho nu) no céu:

Ó Senhor, quão variadas são as tuas obras! Todas as coisas fizeste com sabedoria; cheia está a terra das tuas riquezas.

Salmos 104:24

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Ficou em dúvida, quer perguntar algo ou fazer alguma crítica / sugestão? Deixe nos comentários abaixo e terei o prazer em te responder aqui ou em algum artigo específico.

Sugestão de leitura

• Sugiro que navegue pelas páginas do site do The Nobel Prize relacionado ao prêmio de 2020. Há muita informação interessante e de fácil acesso, incluindo textos para o público leigo: https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2020/summary/;
• O melhor material, em português, no assunto entre ciência e fé cristã é o Dicionário de cristianismo e ciência, editora Thomas Nelson Brasil em parceria com a Associação Brasileira de Cristãos na Ciência;
• Fiz mestrado e doutorado na área de cosmologia quântica. Minha dissertação e tese tem capítulo específico sobre física quântica. Também escrevi um livro, fruto da dissertação. O título da dissertação é Cosmologia quântica na gravidade teleparalela, o da tese é Discretização da energia no universo primordial e o do livro é Cosmologia quântica na gravidade teleparalela: Proposta de soluções;
• Livro Astronomia e astrofísica, por S. O. Kepler e Maria de Fátima Saraiva. Este livro é disponibilizado no próprio site dos autores, que são professores da UFRGS. É um excelente material de consulta: http://astro.if.ufrgs.br/livro.pdf;
• Livro Alfa e Ômega: a busca pelo início e fim do universo, por Charles Seife, editora Roccomn. É um livro de 2007, está um pouquinho desatualizado com relação a dados (como bóson de Higgs e ondas gravitacionais), mas ainda é muito proveitoso e com uma didática muito boa;
• Livro Cosmologia física: do micro ao macro cosmos e vice-versa, por Jorge Horvath, German Lugones, Marcelo porto, Sergio Scarano e Ramachrisna Teixeira, editora Livraria da Física. Outro livro muito bom, um pouquinho técnico, mas nada que não possa ser resolvido por si mesmo. Está um pouquinho desatualizado com relação a dados por ser de 2011, porém, altamente recomendado.

Até a próxima!