Estamos vivendo dentro de um buraco negro? A estrutura e a vida do universo O universo está localizado em um buraco negro.
S. TRANKOVSKY
Entre os problemas mais importantes e interessantes da física e astrofísica modernas, o acadêmico V.L. Ginzburg citou questões relacionadas aos buracos negros (ver “Ciência e Vida” nº 11, 12, 1999). A existência destes estranhos objetos foi prevista há mais de duzentos anos, as condições que levaram à sua formação foram calculadas com precisão no final dos anos 30 do século XX e a astrofísica começou a estudá-los seriamente há menos de quarenta anos. Hoje, revistas científicas de todo o mundo publicam anualmente milhares de artigos sobre buracos negros.
A formação de um buraco negro pode ocorrer de três maneiras.
É assim que se costuma descrever os processos que ocorrem nas proximidades de um buraco negro em colapso. Com o tempo (Y), o espaço (X) ao seu redor (área sombreada) encolhe, avançando em direção à singularidade.
O campo gravitacional de um buraco negro introduz distorções severas na geometria do espaço.
Um buraco negro, invisível através de um telescópio, revela-se apenas pela sua influência gravitacional.
No poderoso campo gravitacional de um buraco negro, nascem pares partícula-antipartícula.
O nascimento de um par partícula-antipartícula em laboratório.
COMO SURGIRAM
Um corpo celeste luminoso, com densidade igual à da Terra e diâmetro duzentas e cinquenta vezes maior que o diâmetro do Sol, devido à força de sua gravidade, não permitirá que sua luz chegue até nós. Assim, é possível que os maiores corpos luminosos do Universo permaneçam invisíveis justamente pelo seu tamanho.
Pierre Simon Laplace.
Exposição do sistema mundial. 1796
Em 1783, o matemático inglês John Mitchell, e treze anos depois, independentemente dele, o astrônomo e matemático francês Pierre Simon Laplace, conduziram um estudo muito estranho. Eles observaram as condições sob as quais a luz seria incapaz de escapar da estrela.
A lógica dos cientistas era simples. Para qualquer objeto astronômico (planeta ou estrela), é possível calcular a chamada velocidade de escape, ou segunda velocidade cósmica, que permite que qualquer corpo ou partícula saia dele para sempre. E na física da época reinava suprema a teoria de Newton, segundo a qual a luz é um fluxo de partículas (a teoria das ondas eletromagnéticas e dos quanta ainda estava a quase cento e cinquenta anos de distância). A velocidade de escape das partículas pode ser calculada com base na igualdade da energia potencial na superfície do planeta e na energia cinética de um corpo que “escapou” para uma distância infinitamente grande. Esta velocidade é determinada pela fórmula #1#
Onde M- massa do objeto espacial, R- seu raio, G- constante gravitacional.
A partir disso podemos facilmente obter o raio de um corpo de uma determinada massa (mais tarde chamado de “raio gravitacional” R g "), na qual a velocidade de escape é igual à velocidade da luz:
Isso significa que uma estrela comprimida em uma esfera com raio R g< 2GM/c 2 irá parar de emitir - a luz não poderá sair dele. Um buraco negro aparecerá no Universo.
É fácil calcular que o Sol (sua massa é 2,1033 g) se transformará em um buraco negro se se contrair em um raio de aproximadamente 3 quilômetros. A densidade da sua substância atingirá 10 16 g/cm 3 . O raio da Terra, comprimida num buraco negro, diminuiria para cerca de um centímetro.
Parecia incrível que pudesse haver forças na natureza capazes de comprimir uma estrela a um tamanho tão insignificante. Portanto, as conclusões dos trabalhos de Mitchell e Laplace foram consideradas durante mais de cem anos uma espécie de paradoxo matemático que não tinha significado físico.
Prova matemática rigorosa de que tal objeto exótico no espaço era possível foi obtida apenas em 1916. O astrônomo alemão Karl Schwarzschild, após analisar as equações da teoria geral da relatividade de Albert Einstein, obteve um resultado interessante. Tendo estudado o movimento de uma partícula no campo gravitacional de um corpo massivo, ele chegou à conclusão: a equação perde seu significado físico (sua solução volta-se para o infinito) quando R= 0 e R = R g.
Os pontos em que as características do campo perdem o sentido são chamados de singulares, ou seja, especiais. A singularidade no ponto zero reflete a estrutura pontual ou, o que dá no mesmo, a estrutura centralmente simétrica do campo (afinal, qualquer corpo esférico - uma estrela ou um planeta - pode ser representado como um ponto material). E pontos localizados em uma superfície esférica com raio R g, formam a própria superfície da qual a velocidade de escape é igual à velocidade da luz. Na teoria geral da relatividade ela é chamada de esfera singular de Schwarzschild ou horizonte de eventos (o motivo ficará claro mais tarde).
Já com base no exemplo de objetos que nos são familiares - a Terra e o Sol - fica claro que os buracos negros são objetos muito estranhos. Mesmo os astrônomos que lidam com a matéria em valores extremos de temperatura, densidade e pressão os consideram muito exóticos e, até recentemente, nem todos acreditavam em sua existência. Porém, os primeiros indícios da possibilidade de formação de buracos negros já estavam contidos na teoria da relatividade geral de A. Einstein, criada em 1915. O astrônomo inglês Arthur Eddington, um dos primeiros intérpretes e divulgadores da teoria da relatividade, na década de 30 derivou um sistema de equações que descreve a estrutura interna das estrelas. Segue-se deles que a estrela está em equilíbrio sob a influência de forças gravitacionais de direção oposta e da pressão interna criada pelo movimento de partículas quentes de plasma dentro da estrela e pela pressão da radiação gerada em suas profundezas. Isso significa que a estrela é uma bola de gás, no centro da qual existe uma alta temperatura, diminuindo gradativamente em direção à periferia. A partir das equações, em particular, concluiu-se que a temperatura da superfície do Sol era de cerca de 5.500 graus (o que era bastante consistente com os dados das medições astronômicas), e em seu centro deveria ser de cerca de 10 milhões de graus. Isso permitiu que Eddington chegasse a uma conclusão profética: nessa temperatura, uma reação termonuclear “inflama”, suficiente para garantir o brilho do Sol. Os físicos atômicos da época não concordavam com isso. Parecia-lhes que estava muito “frio” nas profundezas da estrela: a temperatura ali não era suficiente para que a reação “desaparecesse”. A isto o enfurecido teórico respondeu: “Procure um lugar mais quente!”
E no final ele acabou acertando: uma reação termonuclear realmente ocorre no centro da estrela (outra coisa é que o chamado “modelo solar padrão”, baseado em ideias sobre fusão termonuclear, aparentemente acabou estar incorreto - ver, por exemplo, “Ciência e vida" No. 2, 3, 2000). Mesmo assim, ocorre uma reação no centro da estrela, a estrela brilha e a radiação que surge a mantém em um estado estável. Mas o “combustível” nuclear da estrela se esgota. A liberação de energia para, a radiação se apaga e a força que restringe a atração gravitacional desaparece. Existe um limite para a massa de uma estrela, após o qual a estrela começa a encolher irreversivelmente. Os cálculos mostram que isso acontece se a massa da estrela exceder duas a três massas solares.
COLAPSO GRAVITACIONAL
A princípio, a taxa de contração da estrela é pequena, mas sua taxa aumenta continuamente, pois a força da gravidade é inversamente proporcional ao quadrado da distância. A compressão torna-se irreversível; não há forças capazes de neutralizar a autogravidade. Este processo é denominado colapso gravitacional. A velocidade de movimento da concha da estrela em direção ao seu centro aumenta, aproximando-se da velocidade da luz. E aqui os efeitos da teoria da relatividade começam a desempenhar um papel.
A velocidade de escape foi calculada com base nas ideias newtonianas sobre a natureza da luz. Do ponto de vista da relatividade geral, os fenômenos nas proximidades de uma estrela em colapso ocorrem de maneira um pouco diferente. Em seu poderoso campo gravitacional, ocorre o chamado desvio para o vermelho gravitacional. Isto significa que a frequência da radiação proveniente de um objeto massivo é deslocada para frequências mais baixas. No limite, na fronteira da esfera de Schwarzschild, a frequência de radiação torna-se zero. Ou seja, um observador localizado fora dele não conseguirá descobrir nada sobre o que está acontecendo lá dentro. É por isso que a esfera de Schwarzschild é chamada de horizonte de eventos.
Mas diminuir a frequência equivale a desacelerar o tempo, e quando a frequência chega a zero, o tempo para. Isso significa que um observador externo verá uma imagem muito estranha: a casca de uma estrela, caindo com aceleração crescente, para em vez de atingir a velocidade da luz. Do seu ponto de vista, a compressão irá parar assim que o tamanho da estrela se aproximar da gravidade gravitacional.
normalmente. Ele nunca verá sequer uma partícula “mergulhar” sob a esfera de Schwarzschiel. Mas para um hipotético observador caindo em um buraco negro, tudo terminará em questão de momentos sob seu comando. Assim, o tempo de colapso gravitacional de uma estrela do tamanho do Sol será de 29 minutos, e uma estrela de nêutrons muito mais densa e compacta levará apenas 1/20.000 de segundo. E aqui ele enfrenta problemas associados à geometria do espaço-tempo perto de um buraco negro.
O observador encontra-se num espaço curvo. Perto do raio gravitacional, as forças gravitacionais tornam-se infinitamente grandes; eles esticam o foguete com o astronauta-observador em um fio infinitamente fino de comprimento infinito. Mas ele mesmo não notará isso: todas as suas deformações corresponderão às distorções das coordenadas espaço-temporais. Estas considerações referem-se, evidentemente, a um caso ideal e hipotético. Qualquer corpo real será dilacerado pelas forças das marés muito antes de se aproximar da esfera de Schwarzschild.
DIMENSÕES DE BURACOS NEGROS
O tamanho de um buraco negro, ou mais precisamente, o raio da esfera de Schwarzschild, é proporcional à massa da estrela. E como a astrofísica não impõe quaisquer restrições ao tamanho de uma estrela, um buraco negro pode ser arbitrariamente grande. Se, por exemplo, surgiu durante o colapso de uma estrela com massa de 10 8 massas solares (ou devido à fusão de centenas de milhares, ou mesmo milhões de estrelas relativamente pequenas), seu raio será de cerca de 300 milhões de quilômetros, duas vezes a órbita da Terra. E a densidade média da substância desse gigante está próxima da densidade da água.
Aparentemente, esses são os tipos de buracos negros encontrados nos centros das galáxias. De qualquer forma, os astrônomos contam hoje cerca de cinquenta galáxias, no centro das quais, a julgar pelas evidências indiretas (discutidas abaixo), existem buracos negros com uma massa de cerca de um bilhão (10 9) de massa solar. Aparentemente, nossa Galáxia também tem seu próprio buraco negro; Sua massa foi estimada com bastante precisão - 2,4. 10 6 ±10% da massa do Sol.
A teoria sugere que junto com essas supergigantes também deveriam aparecer miniburacos negros com uma massa de cerca de 10 14 g e um raio de cerca de 10 -12 cm (o tamanho de um núcleo atômico). Eles poderiam aparecer nos primeiros momentos da existência do Universo como uma manifestação de uma heterogeneidade muito forte do espaço-tempo com uma densidade de energia colossal. Hoje, os pesquisadores percebem as condições que existiam no Universo naquela época em poderosos colisores (aceleradores que usam feixes de colisão). Experimentos no CERN no início deste ano produziram plasma de quark-glúon, matéria que existia antes do surgimento das partículas elementares. A pesquisa sobre esse estado da matéria continua em Brookhaven, o centro acelerador americano. É capaz de acelerar partículas a energias de uma ordem e meia a duas ordens de grandeza superiores às do acelerador em
CERN. A próxima experiência causou sérias preocupações: criará um miniburaco negro que dobrará o nosso espaço e destruirá a Terra?
Este medo ressoou tão fortemente que o governo dos EUA foi forçado a convocar uma comissão competente para examinar esta possibilidade. Uma comissão composta por pesquisadores proeminentes concluiu: a energia do acelerador é muito baixa para o surgimento de um buraco negro (este experimento é descrito na revista Science and Life, No. 3, 2000).
COMO VER O INVISÍVEL
Os buracos negros não emitem nada, nem mesmo luz. Porém, os astrônomos aprenderam a vê-los, ou melhor, a encontrar “candidatos” para essa função. Existem três maneiras de detectar um buraco negro.
1. É necessário monitorar a rotação das estrelas em aglomerados em torno de um determinado centro de gravidade. Se acontecer que não há nada neste centro e as estrelas parecem girar em torno de um espaço vazio, podemos dizer com bastante segurança: neste “vazio” há um buraco negro. Foi nesta base que se assumiu a presença de um buraco negro no centro da nossa Galáxia e se estimou a sua massa.
2. Um buraco negro suga ativamente para si matéria do espaço circundante. Poeira interestelar, gás e matéria de estrelas próximas caem sobre ele em espiral, formando o chamado disco de acreção, semelhante ao anel de Saturno. (Este é precisamente o espantalho do experimento de Brookhaven: um miniburaco negro que apareceu no acelerador começará a sugar a Terra para dentro de si, e esse processo não poderia ser interrompido por nenhuma força.) Aproximando-se da esfera de Schwarzschild, as partículas experimentam aceleração e começam a emitir na faixa de raios X. Essa radiação possui um espectro característico semelhante à radiação bem estudada de partículas aceleradas em um síncrotron. E se tal radiação vier de alguma região do Universo, podemos dizer com segurança que deve haver um buraco negro ali.
3. Quando dois buracos negros se fundem, ocorre radiação gravitacional. Calcula-se que se a massa de cada um for de cerca de dez massas solares, então quando eles se fundirem em questão de horas, energia equivalente a 1% de sua massa total será liberada na forma de ondas gravitacionais. Isso é mil vezes mais do que a luz, o calor e outras energias que o Sol emitiu durante toda a sua existência - cinco bilhões de anos. Eles esperam detectar radiação gravitacional com a ajuda dos observatórios de ondas gravitacionais LIGO e outros, que estão agora sendo construídos na América e na Europa com a participação de pesquisadores russos (ver “Ciência e Vida” nº 5, 2000).
E, no entanto, embora os astrónomos não tenham dúvidas sobre a existência de buracos negros, ninguém se atreve a afirmar categoricamente que exatamente um deles está localizado num determinado ponto do espaço. A ética científica e a integridade do pesquisador exigem uma resposta inequívoca à questão colocada, que não tolere discrepâncias. Não basta estimar a massa de um objeto invisível; é preciso medir seu raio e mostrar que ele não excede o raio de Schwarzschild. E mesmo dentro da nossa Galáxia este problema ainda não tem solução. É por isso que os cientistas mostram uma certa contenção ao relatar a sua descoberta, e as revistas científicas estão literalmente repletas de relatórios de trabalhos teóricos e observações de efeitos que podem lançar luz sobre o seu mistério.
No entanto, os buracos negros têm mais uma propriedade, prevista teoricamente, que pode tornar possível observá-los. Mas, no entanto, sob uma condição: a massa do buraco negro deveria ser muito menor que a massa do Sol.
UM BURACO NEGRO TAMBÉM PODE SER “BRANCO”
Durante muito tempo, os buracos negros foram considerados a personificação da escuridão, objetos que no vácuo, na ausência de absorção de matéria, nada emitem. No entanto, em 1974, o famoso teórico inglês Stephen Hawking mostrou que os buracos negros podem receber uma temperatura e, portanto, deveriam irradiar.
De acordo com os conceitos da mecânica quântica, o vácuo não é um vazio, mas uma espécie de “espuma do espaço-tempo”, uma mistura de partículas virtuais (não observáveis no nosso mundo). No entanto, as flutuações de energia quântica podem “ejetar” um par partícula-antipartícula do vácuo. Por exemplo, na colisão de dois ou três quanta gama, um elétron e um pósitron aparecerão como se viessem do nada. Este e outros fenômenos semelhantes foram repetidamente observados em laboratórios.
São as flutuações quânticas que determinam os processos de radiação dos buracos negros. Se um par de partículas com energias E E -E(a energia total do par é zero) ocorre nas proximidades da esfera de Schwarzschild, o destino posterior das partículas será diferente. Eles podem ser aniquilados quase imediatamente ou passar juntos pelo horizonte de eventos. Neste caso, o estado do buraco negro não mudará. Mas se apenas uma partícula descer abaixo do horizonte, o observador registrará outra, e lhe parecerá que foi gerada por um buraco negro. Ao mesmo tempo, um buraco negro que absorveu uma partícula com energia -E, reduzirá sua energia, e com energia E- vai aumentar.
Hawking calculou as taxas em que todos esses processos ocorrem e chegou à conclusão: a probabilidade de absorção de partículas com energia negativa é maior. Isso significa que o buraco negro perde energia e massa – ele evapora. Além disso, ele irradia como um corpo completamente negro com temperatura T = 6 . 10 -8 M Com / M Kelvins, onde M c - massa do Sol (2,10 33 g), M- a massa do buraco negro. Esta relação simples mostra que a temperatura de um buraco negro com massa seis vezes maior que a do Sol é igual a cem milionésimos de grau. É claro que um corpo tão frio não emite praticamente nada, e todo o raciocínio acima permanece válido. Mini-buracos são outra questão. É fácil ver que com uma massa de 10 14 -10 30 gramas, eles são aquecidos a dezenas de milhares de graus e ficam incandescentes! Deve-se notar desde já, porém, que não há contradições com as propriedades dos buracos negros: essa radiação é emitida por uma camada acima da esfera de Schwarzschild, e não abaixo dela.
Assim, o buraco negro, que parecia um objeto eternamente congelado, mais cedo ou mais tarde desaparece, evaporando. Além disso, à medida que ela “perde peso”, a taxa de evaporação aumenta, mas ainda leva muito tempo. Estima-se que os mini-buracos pesando 10 14 gramas, que apareceram imediatamente após o Big Bang, de 10 a 15 bilhões de anos atrás, deveriam evaporar completamente até o nosso tempo. Na última fase da vida, sua temperatura atinge valores colossais, portanto os produtos da evaporação devem ser partículas de altíssima energia. Talvez sejam eles que geram chuvas de ar generalizadas na atmosfera terrestre - EAS. Em qualquer caso, a origem de partículas de energia anormalmente elevada é outro problema importante e interessante que pode estar intimamente relacionado com questões não menos emocionantes na física dos buracos negros.
O material foi preparado pelos editores do InoSMI especificamente para a seção RIA Science >>
Michael Finkel
Vamos voltar o relógio. Antes do homem, antes da Terra, antes do Sol se acender, antes de as galáxias nascerem, antes de a luz brilhar, houve um “big bang”. Isso aconteceu há 13,8 bilhões de anos.
Supernovas semearam o espaço com elementos pesados no Universo primordialCientistas usaram o telescópio espacial de raios X Suzaku do Japão examinaram a distribuição de ferro no aglomerado de galáxias Perseu, localizado a 250 milhões de anos-luz de distância.Mas o que aconteceu antes disso? Muitos físicos dizem que “antes disso” não existe. Argumentam que o tempo começou a contar no momento do “big bang”, acreditando que tudo o que existia anteriormente não está incluído no âmbito da ciência. Nunca entenderemos como era a realidade antes do Big Bang, de onde ela foi formada e por que criou o nosso Universo. Tais ideias estão além da compreensão humana.
Mas alguns cientistas não convencionais discordam. Estes físicos teorizam que, momentos antes do “big bang”, toda a massa e energia do universo nascente foi comprimida num grão incrivelmente denso, mas finito. Vamos chamá-lo de semente de um novo universo.
Eles acreditam que a semente era inimaginavelmente pequena, talvez triliões de vezes mais pequena do que qualquer partícula que pudesse ser observada pelos humanos. E, no entanto, esta partícula deu origem a todas as outras partículas, para não mencionar as galáxias, o sistema solar, os planetas e as pessoas.
Se você realmente deseja chamar algo de partícula de Deus, então esta semente é perfeita para esse nome.
Então, como surgiu essa semente? Uma ideia foi apresentada há vários anos por Nikodem Poplawski, que trabalha na Universidade de New Haven. É que a semente do nosso Universo foi forjada na fornalha primordial que o buraco negro se tornou para ela.
Multiplicando Multiversos
Antes de prosseguirmos, é importante compreender que ao longo dos últimos vinte anos muitos físicos teóricos convenceram-se de que o nosso universo não é o único. Podemos fazer parte de um multiverso, representando um vasto número de universos individuais, cada um dos quais é uma bola brilhante no verdadeiro céu noturno.
Há muita controvérsia sobre como um universo está conectado a outro e se existe tal conexão. Mas todas estas disputas são puramente especulativas e a verdade é improvável. Mas uma ideia atraente é que a semente do universo é como a semente de uma planta. Este é um pedaço de matéria essencial, fortemente comprimido e escondido dentro de uma concha protetora.
Isso explica exatamente o que acontece dentro de um buraco negro. Os buracos negros são os cadáveres de estrelas gigantes. Quando essa estrela fica sem combustível, seu núcleo entra em colapso. A força da gravidade une tudo com uma força incrível e cada vez maior. As temperaturas chegam a 100 bilhões de graus. Os átomos estão em colapso. Os elétrons são despedaçados. E então essa massa encolhe ainda mais.
Neste ponto, a estrela se transforma em um buraco negro. Isso significa que sua força atrativa é tão grande que nem mesmo um raio de luz consegue escapar dela. A fronteira entre o interior e o exterior de um buraco negro é chamada de horizonte de eventos. No centro de quase todas as galáxias, incluindo a nossa Via Láctea, os cientistas estão a descobrir buracos negros colossais, alguns milhões de vezes mais massivos que o nosso Sol.
Perguntas sem fundo
Se você usar a teoria de Einstein para determinar o que acontece no fundo de um buraco negro, poderá calcular um ponto que é infinitamente denso e infinitamente pequeno. Este conceito hipotético é chamado de singularidade. Mas na natureza, o infinito geralmente não existe. O problema reside nas teorias de Einstein, que fornecem cálculos excelentes para grande parte do espaço exterior, mas desmoronam face a forças incríveis, como as existentes no interior de um buraco negro ou as presentes no nascimento do Universo.
Físicos como o Dr. Poplavsky dizem que a matéria dentro de um buraco negro na verdade chega a um ponto em que não pode mais ser comprimida. Esta “semente” é incrivelmente pequena e pesa tanto quanto um bilhão de estrelas. Mas, ao contrário da singularidade, é bastante real.
Segundo Poplavsky, o processo de compressão para porque os buracos negros giram. Eles giram muito rapidamente, possivelmente atingindo a velocidade da luz. E esta torção dá à semente comprimida uma incrível rotação axial. A semente não é apenas pequena e pesada; também é torcido e comprimido, como a mola daquele demônio na tabaqueira.
Cientistas mediram pela primeira vez o campo magnético do buraco negro no centro da GaláxiaO buraco negro supermassivo Sgr A* está localizado no centro da nossa galáxia. Anteriormente, os astrônomos descobriram o rádio pulsar PSR J1745-2900 no centro da nossa galáxia. Eles usaram a radiação que emana dele para medir a força do campo magnético no buraco negro.Por outras palavras, é bem possível que um buraco negro seja um túnel, uma “porta de sentido único” entre dois universos, diz Poplavsky. Isso significa que se você cair no buraco negro no centro da Via Láctea, é bem possível que você acabe em outro universo (bem, se não você, então seu corpo será esmagado em minúsculas partículas). Este outro universo não está dentro do nosso; o buraco é simplesmente um elo de ligação, como uma raiz comum da qual crescem dois álamos.
E quanto a todos nós, em nosso próprio universo? Podemos ser um produto de outro universo mais antigo. Vamos chamá-lo de nosso verdadeiro universo. Essa semente que o universo-mãe forjou dentro do buraco negro pode ter dado um grande salto há 13,8 mil milhões de anos e, embora o nosso Universo tenha estado a expandir-se rapidamente desde então, ainda podemos estar para além do horizonte de eventos do buraco negro.
Um buraco negro na física é definido como uma região no espaço-tempo cuja atração gravitacional é tão forte que mesmo objetos que se movem à velocidade da luz, incluindo os quanta da própria luz, não podem sair dele. O limite desta área é denominado horizonte de eventos, e seu tamanho característico é o raio gravitacional, denominado raio da Floresta Negra. Os buracos negros são os objetos mais misteriosos do Universo. Eles devem seu infeliz nome ao astrofísico americano John Wheeler. Foi ele quem, na popular palestra “Nosso Universo: Conhecido e Desconhecido” de 1967, chamou esses corpos superdensos de buracos. Anteriormente, esses objetos eram chamados de “estrelas em colapso” ou “colapsadores”. Mas o termo “buraco negro” criou raízes e tornou-se simplesmente impossível mudá-lo. Existem dois tipos de buracos negros no Universo: 1 – buracos negros supermassivos, cuja massa é milhões de vezes maior que a massa do Sol (acredita-se que tais objetos estejam localizados nos centros das galáxias); 2 – buracos negros menos massivos que surgem como resultado da compressão de estrelas gigantes moribundas, sua massa é superior a três massas solares; À medida que a estrela se contrai, a matéria torna-se cada vez mais densa e, como resultado, a gravidade do objeto aumenta a tal ponto que a luz não consegue superá-la. Nem a radiação nem a matéria podem escapar de um buraco negro. Os buracos negros são gravitadores superpoderosos.
O raio até o qual uma estrela deve encolher para se tornar um buraco negro é chamado de raio gravitacional. Para buracos negros formados a partir de estrelas, são apenas algumas dezenas de quilômetros. Em alguns pares de estrelas duplas, uma delas é invisível no telescópio mais poderoso, mas a massa do componente invisível nesse sistema gravitacional acaba sendo extremamente grande. Muito provavelmente, esses objetos são estrelas de nêutrons ou buracos negros. Às vezes, os componentes invisíveis nesses pares retiram o material de uma estrela normal. Neste caso, o gás é separado das camadas externas da estrela visível e cai em um lugar desconhecido - em um buraco negro invisível. Mas antes de cair no buraco, o gás emite ondas eletromagnéticas de comprimentos muito diferentes, incluindo ondas de raios X muito curtas. Além disso, perto de uma estrela de nêutrons ou de um buraco negro, o gás fica muito quente e se torna uma fonte de radiação eletromagnética poderosa e de alta energia nas faixas de raios X e raios gama. Essa radiação não passa pela atmosfera terrestre, mas pode ser observada por meio de telescópios espaciais. Um dos prováveis candidatos a buracos negros é uma poderosa fonte de raios X na constelação de Cygnus.
ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/NASA/ESA/F. PENTES
Vamos tentar voltar no tempo. Antes do surgimento da vida, antes do aparecimento da Terra, antes do nascimento do Sol e da formação das galáxias, antes da luz começar a fluir, existia um. E isso foi há 13,8 bilhões de anos.
Mas o que veio primeiro? Muitos físicos afirmam que não existe “antes”. Eles acreditam que o próprio tempo começou no momento do Big Bang e que tudo o que veio antes não cabe na esfera científica. De acordo com este ponto de vista, nunca seremos capazes de compreender como era a realidade antes do Big Bang, de quais componentes ela foi formada e por que deu origem ao nosso universo.
Mas há cientistas que são alheios às convenções e não concordam. Essas pessoas constroem teorias intrincadas de que, no momento fugaz antes do Big Bang, toda a energia e massa do universo nascente foram comprimidas em um grão irrealisticamente denso, mas bastante limitado. Você pode chamar isso de “A semente de uma nova realidade”.
Esses físicos malucos acreditam que a Semente era inimaginavelmente minúscula, provavelmente trilhões de vezes menor que qualquer partícula elementar que possa ser observada pelo homem. E, no entanto, foi esse grão que se tornou o ímpeto para o surgimento de todo o resto: outras partículas, galáxias, nosso sistema solar e pessoas. Se você está realmente ansioso para chamar algo de partícula de Deus, então esta Semente é a melhor candidata para tal nome.
Como então surgiu esta Semente? A ideia apresentada por Nikodim Poplavsky, da Universidade de New Haven, afirma que a Semente da nossa realidade apareceu na fornalha primordial de um buraco negro.
Reprodução de multiversos
Antes de nos aprofundarmos, vale a pena entender que, nos últimos anos, muitos interessados nesta questão chegaram à conclusão de que o nosso universo está longe de ser único. Pode ser apenas uma pequena parte do vasto multiverso, uma das bolas luminosas nos verdadeiros céus noturnos.
Ninguém sabe como esses universos estão conectados entre si, ou se existe tal conexão. E embora as disputas que surgem sobre este assunto sejam especulativas e improváveis, ainda existe uma ideia interessante de que a Semente de cada universo é muito semelhante à semente de uma planta. Um pequeno pedaço de matéria preciosa, comprimido de forma compacta e escondido sob uma concha protetora.
Isto explica com muita precisão os eventos que ocorrem dentro do Buraco Negro. Todos os buracos negros são restos de estrelas gigantes que ficaram sem combustível e colapsaram no seu núcleo. Quando as forças da gravidade comprimem tudo com um poder alucinante e cada vez maior. Então a temperatura sobe para 100 bilhões de graus, os átomos se desintegram e os elétrons são despedaçados. E aí essa bagunça diminui ainda mais.
Agora a estrela é um buraco negro. Isso significa que a força de sua atração é tão grande que nem mesmo um raio de luz consegue escapar dela. A fronteira entre as partes externa e interna de um buraco negro é chamada de horizonte de eventos. No centro de quase todas as galáxias, sem excluir a nossa Via Láctea, se você olhar de perto, poderá encontrar enormes buracos negros que são milhões de vezes maiores que o nosso Sol.
Perguntas sem fundo
Utilizando a teoria de Einstein para determinar o que se passa no fundo do Buraco Negro, certamente nos depararemos com o conceito de singularidade, segundo o qual existe um ponto infinitamente denso e infinitamente pequeno. E isso contradiz a própria natureza, na qual o infinito parece não existir... O problema está nas próprias fórmulas de Einstein, que são ideais para cálculos relativos à maior parte do espaço-tempo, mas não funcionam de forma alguma na escala quântica do incrível forças que governam o nascimento dos universos e vivem dentro dos buracos negros.
Físicos teóricos como o Dr. Poplavsky argumentam que a matéria em um buraco negro chega ao ponto em que não é mais possível comprimi-la. Esta pequena Semente pesa até mil milhões de estrelas, mas ao contrário da singularidade, ainda é bastante real.
Poplavsky acredita que a compressão para porque os buracos negros giram muito rapidamente, possivelmente atingindo a velocidade da luz nesta rotação. E esta pequena e pesada Semente, possuindo uma torção axial irreal, comprimida e torcida, pode ser comparada a uma mola jack-in-the-box. De repente, esta Semente pode brotar e fazê-lo com um poderoso estrondo. Tais casos são chamados de Big Bang ou, como Poplavsky prefere dizer, de Big Rebound.
Em outras palavras, pode acontecer que o Buraco Negro seja um túnel entre dois universos e em uma direção. O que por sua vez significa que, se você cair em um Buraco Negro, você se encontrará imediatamente em outro universo (mais precisamente, no que resta de você). Esse outro universo não está relacionado ao nosso; o buraco é apenas um elo de ligação, como uma raiz comum da qual crescem duas árvores.
Então, e todos nós, dentro do nosso universo doméstico? Podemos ser filhos de outro universo primordial, mais antigo. A semente forjada dentro do Buraco Negro pelo Universo-mãe pode ter realizado o Grande Salto há 13,8 mil milhões de anos e, embora o nosso Universo ainda esteja em rápida expansão desde então, ainda podemos existir para além do horizonte de eventos desse Buraco Negro.
O novo modelo do universo nos permite prescindir da singularidade quântica e da inflação cosmológica.
A principal questão da cosmologia pode ser formulada literalmente em três palavras: de onde veio o Universo? Para uma resposta padrão, bastam duas: da singularidade quântica. Este é o nome dado a um estado especial da matéria onde não há espaço nem tempo e as leis físicas conhecidas não se aplicam. É geralmente aceito que se revelou instável e deu origem a um espaço tridimensional preenchido com campos quânticos e partículas geradas por eles. Esta saída da singularidade é chamada de Big Bang e é considerada o início da idade do Universo.
Ninguém sabe realmente o que é essa singularidade. Se “jogarmos” as equações cosmológicas de volta no tempo até o ponto zero, a densidade de energia e a temperatura irão para o infinito e perderão seu significado físico. A singularidade é geralmente descrita como uma flutuação quântica caótica no vácuo que tornou possível a gravidade e outros campos físicos. Os teóricos se esforçaram muito para tentar entender exatamente como isso poderia acontecer, mas até agora sem muito sucesso.
Não uma explosão, mas um colapso
Alguns modelos cosmológicos dispensam totalmente a singularidade, mas são minoria. Mas recentemente, três cientistas canadianos criaram um modelo muito interessante do Big Bang, que não requer a hipótese do caos quântico. O professor de física e astronomia da Universidade de Waterloo, Robert Mann, e seus colegas admitem que nosso Universo poderia ter surgido como um subproduto da contração gravitacional da matéria cósmica, que culminou no nascimento de um buraco negro. A ideia principal deles é que esta matéria existia em um espaço não com três, mas com quatro dimensões. O buraco recém-nascido, novamente quadridimensional, cercou-se de uma concha tridimensional, que se tornou o embrião do Universo. Ela pegou emprestada da quadridimensionalidade de sua mãe não apenas a gravidade, mas também outros campos e partículas que assumiram uma vida tridimensional independente. Portanto, o nosso mundo não surgiu do Big Bang, mas do seu oposto, o Big Collapse!
De onde veio essa concha? Um buraco negro “comum” é cercado por uma superfície bidimensional fechada, o horizonte de eventos. Uma partícula que caia no horizonte não poderá mais retornar, e mesmo os fótons do horizonte também não superarão essa barreira impenetrável. Se o buraco estiver estacionário, o horizonte é esférico, mas para buracos rotativos esta esfera é achatada nos pólos. Como o horizonte tem espessura zero, naturalmente não há matéria dentro dele. Mas isso está no espaço tridimensional. Um buraco quadridimensional também possui um horizonte de eventos cuja dimensão é um a menos que a sua. Portanto, o seu horizonte é um espaço tridimensional. Segundo a hipótese dos físicos canadenses, isso poderia dar origem ao nosso Universo.
Professor da Universidade de Waterloo (Canadá):
“As equações da relatividade geral fazem sentido para espaços com um número arbitrariamente grande de dimensões e em todos os casos têm soluções que levam ao surgimento de singularidades. Segue-se que se a densidade da matéria numa região quadridimensional fechada exceder um certo limite crítico, ela entra em colapso para formar um buraco negro. As propriedades físicas de tal substância deveriam ser muito diferentes daquelas que observamos em nosso mundo. No entanto, é bastante lógico supor que a gravidade dominará neste mundo: se as partículas de matéria do mundo quadridimensional deformam o espaço-tempo de acordo com as equações da relatividade geral, elas são atraídas umas pelas outras e dão origem ao preto buracos."
No que diz respeito ao espaço quadridimensional, encerrado no horizonte de um buraco negro, esta região tridimensional será o único mundo completamente isolado do ambiente quadridimensional. Pode-se presumir que a matéria desenhada no horizonte se comportará de acordo com todas as leis das três dimensões. O novo modelo elimina a hipótese comum de inflação cosmológica proposta no início da década de 1980, que ainda enfrenta sérios problemas não resolvidos. Em particular, a natureza do campo físico que supostamente desencadeou a expansão acelerada do Universo recém-nascido não é clara.
Salto do mundo
Mas se ignorarmos os efeitos quânticos, o horizonte de um buraco tridimensional é estável, enquanto o nosso Universo está em expansão. O modelo de Mann também explica isso: “O colapso gravitacional no espaço quadridimensional não só dará origem a um buraco negro, mas também fará com que a matéria que não caiu nele “rebote” e se espalhe em todas as direções. Algo semelhante acontece durante as explosões de supernovas, que espalham suas conchas por todo o espaço circundante. Os cálculos mostram que esta matéria pode criar uma camada tridimensional ao redor do horizonte, que se expandirá e puxará o próprio horizonte junto com ela. Como resultado, surgirá um único espaço em expansão do nosso Universo. O modelo pode ser modificado de tal forma que preveja a aceleração desta expansão, que a cosmologia padrão explica em termos de energia escura."
O novo modelo permite testes experimentais. A influência gravitacional de quatro dimensões em nosso Universo deve causar certas flutuações na radiação cósmica de fundo em micro-ondas, cujo espectro pode ser previsto.