Buracos negros: Introdução
Os buracos negros foram propostos em 1796 por Pierre Simon Laplace, que os definiu como objetos com gravidade tão intensa que nem mesmo a luz seria capaz de escapar de seu campo gravitacional. Muitos anos se passaram até que em 1915, Karl Schwarzschild conseguiu uma solução para as equações de campo de Einstein, que se tornaram um trabalho pioneiro sobre os buracos negros. Muitos físicos, inclusive Einstein, que foi o criador da teoria que possibilitava a existência de buracos negros, não acreditavam na existência destes corpos celestes exóticos. Todavia, esse trabalho foi continuado por físicos como Roy Kerr, Werner Israel, Richard Price e Stephen Hawking.
Mas o que são buracos negros? São objetos teóricos, hoje comprovados, previstos pela teoria da relatividade geral de Einstein e que têm como principal característica a enorme atração gravitacional. De acordo com a relatividade geral, a gravidade é criada pela distorção do espaço-tempo, criando uma espécie de depressão no mesmo. O buraco negro, como o nome sugere, cria um buraco tão profundo no espaço-tempo que é impossível que as coisas saiam de seu interior. Até a luz é curvada e sugada pela forte atração gravitacional dos buracos negros.
A essência de sua enorme força gravitacional está na estonteante quantidade de matéria comprimida em um espaço muito pequeno. Se pudéssemos comprimir a Terra em um tamanho suficientemente pequeno, ela se tornaria um buraco negro, pois seu tamanho iria se aproximar de zero e sua densidade subiria. Esse fenômeno é encontrado também, embora em menor magnitude, nas estrelas de nêutrons, cuja densidade de sua superfície é extremamente alta, podendo ser milhões de bilhões de vezes mais fortes que o aço, porém não são pequenas o suficiente para se tornarem buracos negros.
Formação de um buraco negro
Os buracos negros são a última etapa das estrelas. Após sua morte, algumas delas se tornam buracos negros. Existem dois fatores fundamentais para a criação de um buraco negro, eles são: massa e o sistema da estrela que pode ser binário (duas estrelas) ou isolado (uma estrela). O mais comum é encontrar buracos negros formados por estrelas que possuíam três vezes a massa do Sol, assim colapsaram em uma super nova deixando apenas uma espécie de "caroço" para trás. Dependendo da massa deste ?caroço? ele pode ou não virar um buraco negro.
A sequência exata dos acontecimentos para a formação de buracos negros não é totalmente compreendida, pois não se pode acompanhar a vida das estrelas e essa limitação observacional dificulta o processo. Porém, os recursos matemáticos somados às observações já registradas nos levam a crer que a existência de um buraco negro depende principalmente da massa inicial da estrela. Estrelas como super gigantes azuis e hiper gigantes azuis, dentre outras, são as mais prováveis a se tornarem buracos negros, pois sua enorme quantidade de massa (no mínimo três vezes a do Sol) indica uma enorme quantidade de energia que são os requisitos fundamentais para as explosões de super novas, que criam os buracos negros.
Existem também os chamados buracos negros supermassivos. Esse tipo de buraco negro é mais raro, normalmente encontrado só nos núcleos galácticos. Teoriza-se que são formados por estrelas supermassivas, como hipergigantes vermelhas e azuis, porém sabe-se que o lento acréscimo de matéria pode tornar um buraco negro de tamanho normal em um supermassivo. O acréscimo é óbvio, pois as regiões centrais das galáxias normalmente possuem os chamados aglomerados globulares, regiões onde existe uma enorme quantidade de estrelas mantidas juntas por sua atração gravitacional. Essas regiões possuem muita matéria para ser absorvida pelo buraco negro.
Análise estrutural
Os buracos negros são estruturas complexas, porém podem ser divididos para facilitar o entendimento. De fora para dentro essas estruturas são: disco de acreção, ergosfera, horizonte de eventos (raio de Schwarzschild) e singularidade. O disco de acreção, como o nome sugere, é uma espécie de "anel de Saturno" formado por matéria, incandescente, que orbita o buraco negro mas ainda não passou do horizonte de eventos. Podem surgir em estrelas recém nascidas (proto-estrela), buracos negros e outros corpos. Sua principal característica é a emissão de radiação. Em alguns casos, pode emitir radiação infravermelha enquanto em outros pode emitir radiação de raios-x. Os processos que levam à criação de discos de acreção dependem muito dos fatores envolvidos, como a quantidade de corpos envolvidos e a massa deles, porém é quase certo que está relacionado a colisões e canibalismo em sistemas binários. O canibalismo binário acontece, por exemplo, quando em um sistema binário (duas estrelas) uma das estrelas vira um buraco negro passando a "devorar" a matéria da estrela companheira. Com o tempo, a matéria, devido a linhas de força magnéticas se junta, criando disco de acreções e até criando jatos de matéria que serão visitados posteriormente.
A ergosfera, por outro lado, é uma característica presente em buracos negros que não são estáticos, ou seja, que giram. Esse é o caso do buraco negro de Kerr-Newman. Devido ao momento angular dos buracos negros, estes criam uma zona em volta do horizonte de eventos chamada ergosfera. É uma região onde o tecido do espaço-tempo se arrasta, girando em volta do buraco negro. Esse fenômeno em que o corpo arrasta o espaço-tempo em torno de si é chamado efeito Lense-Thirring e é uma consequência da teoria da relatividade. Esse efeito nos diz que objetos que giram arrastam o espaço-tempo à sua volta, porém de forma muito sutil, pois depende da massa do objeto em rotação. Por isso, é de se esperar que buracos negros, com sua enorme quantidade de massa, consigam criar uma grande ergosfera em torno de si mesmos.
O horizonte de eventos faz parte da teoria da relatividade geral e diz respeito a zonas onde um observador não pode mais interagir com os eventos que ocorram do outro lado de uma divisão imaginária do espaço-tempo, chamada de horizonte de eventos. Esse pensamento pode ser adotado em buracos negros, pois a partir de um horizonte de eventos, determinado pelo raio de Schwarzschild que basicamente mede o tamanho do horizonte de eventos, tudo que passar dessa linha imaginária não poderá retornar, nem mesmo a luz escapa da poderosa atração gravitacional criada nessa região.
Finalmente, o coração do buraco negro: a singularidade gravitacional. Ela é simplesmente um ponto no centro do buraco negro, cujas dimensões são infinitesimais e a massa tende ao infinito. As singularidades presentes em buracos negros são conhecidas pela teoria da relatividade geral como singularidades de curvatura devido ao fato de criar uma deformação no espaço-tempo chamada geodésica. É essa singularidade e suas propriedades nada intuitivas a respeito de tamanho e massa que tornam os buracos negros máquinas de engolir matéria. Nas equações da relatividade é possível observar que quando o tamanho de um objeto se aproxima de zero e sua densidade se aproxima do infinito a força gravitacional também tende ao infinito, criando o fenômeno dos buracos negros.
Tipos de buracos negros
Os buracos negros da natureza só variam em três propriedades fundamentais: massa, spin (giro) e carga elétrica, fora isso são iguais. Porém, no processo de esclarecimento dos fenômenos por trás de um buraco negro, os físicos tomaram alguns caminhos, dividindo-os em modelos distintos para a mesma coisa. São desconhecidos por muitas pessoas os processos ?normais? de construção de teorias e os processos de aprimoramentos das mesmas. O que normalmente ocorre é que um físico cria uma teoria que algum tempo depois é aprimorada por outro(s) físico(s) e assim recebe outro nome e se torna outro modelo da teoria. No caso dos buracos negros não foi diferente. Existem diferentes modelos para eles, alguns modelos consideram o buraco negro estático e perfeitamente simétrico, outros consideram a rotação junto com a carga elétrica, outros ainda tentam explicar os buracos negros com a nova teoria das cordas. O resultado disso é que há várias versões da mesma coisa. Vamos analisar somente as principais.
Karl Schwarzschild é o criador da atual teoria de buracos negros e criou um modelo próprio. Este é chamado buraco negro estático ou buraco negro de Schwarzschild. Sua principal característica é que não possui rotação, ou seja, não existe momento angular. Além disso, o buraco negro de Schwarzschild só é válido em casos de simetria esférica e, apesar de não possuir ergosfera, esse modelo possui o horizonte de eventos.
Outros físicos, como Hans Reissner e Gunnar Nordström, criaram seu próprio modelo. O chamado buraco negro de Reissner-Nordström é uma espécie melhorada do buraco negro de Schwarzschild. Este modelo, apesar de não considerar o buraco negro em rotação considerava-o um objeto eletricamente carregado, tornando-o, assim, uma evolução em relação ao anterior. As equações desenvolvidas por Hans Reissner e Gunnar Nordström estavam de acordo com a teoria da relatividade geral.
E, por último, o buraco negro de Kerr-Newman. Este modelo considerava um objeto desprovido de simetria esférica, pois possuía momento angular além de considerar o buraco negro um o corpo eletricamente carregado. Como era de se esperar, devido à enorme velocidade de rotação do buraco negro e ao fato de ser eletricamente carregado este cria um intenso campo magnético, que é responsável por causar uma ruptura no horizonte de eventos, criando assim dois horizontes de eventos e entre eles um fluxo de matéria intenso que, devido a sua interação violenta, expulsa fótons na forma de raios gama.
