Acabamos de achar o que há dentro de um Buraco Negro!

[Música] Os buracos negros continuam atraindo a atenção da comunidade científica. Entre os pesquisadores mais interessados no tema, Brian Cox tem se destacado recentemente, ele e outros colegas vem avançando significativamente na tentativa de desvendar esses grandes mistérios do universo. Outro nome importante nesse campo é do físico, teórico e cosmólogo Stephen Hawking. Ainda nas décadas de 1970 e 1980, ele se questionou sobre o que poderia acontecer com a matéria ao cair dentro de um buraco negro. Essa pergunta pode parecer simples. Bastaria criar um objeto para ser lançado em um buraco negro e os cientistas aqui da Terra observariam o que acontece, não é? No entanto, não é tão fácil assim. Antes é preciso responder outra pergunta. Como estudamos um buraco negro? Os estudos ganham força a partir de duas imagens captadas de buracos negros diferentes. Uma delas mostra um buraco negro no centro da galáxia chamado Sagitário. Estrela. Ele pode ser pequeno, mas é super massivo. Tem aproximadamente 6 milhões de vezes a massa do nosso Sol. A outra imagem é de um buraco negro na galáxia M87, captada graças à colaboração da missão do telescópio Avage Horizon. Ele está a 55 milhões de anos luz da Terra e possui cerca de 6 milhões de vezes a massa solar. Mas o estudo dos buracos negros não é tão recente quanto muitos imaginam. No século XVII, muito antes da teoria da relatividade de Einstein, dois cientistas já especulavam sobre a existência de objetos tão massivos que nem a luz conseguiria escapar deles. John Michelle e Pierre Simon Laplace calcularam que se uma estrela fosse grande o suficiente, sua gravidade seria tão intensa que nada escaparia dela. Mesmo sem telescópios potentes ou instrumentos modernos, eles estavam certos. O conceito que imaginaram é o que hoje chamamos de buraco negro. A chave para entender esse fenômeno está na velocidade de escape. Na Terra, um foguete precisa atingir cerca de 8 km para sair da atmosfera. No Sol, essa velocidade sobe para 400 km. Agora imagine um objeto tão denso e massivo que a velocidade necessária para escapar dele seja maior que a da luz, que é de aproximadamente 300.000 km. Nesse caso, nada conseguiria sair, nem mesmo a luz. A partir desse ponto, qualquer matéria se tornaria teoricamente invisível para o universo. O limite que define essa fronteira é chamado de horizonte de eventos. Ao cruzá-lo, não há mais retorno. Se um astronauta ultrapassasse essa linha, jamais conseguiria sair. Para quem estivesse observando de fora, esse astronauta pareceria se mover cada vez mais devagar até congelar no tempo. Mas para ele nada pareceria estranho no momento da travessia, apenas perceberia que não há mais volta. E o que existe dentro desse limite? A resposta está na chamada singularidade, o ponto central do buraco negro, onde a matéria é comprimida em um volume minúsculo e atinge uma densidade infinita. Nesse ponto, todas as leis da física conhecidas deixam de fazer sentido. Tempo e espaço se fundem de um jeito que a ciência ainda não compreende. Voltando ao exemplo do astronauta, se ele entrasse em um buraco negro, seria puxado com força crescente até ser completamente destruído pela gravidade. Em buracos negros menores, a diferença gravitacional entre a cabeça e os pés de uma pessoa seria tão intensa que a esticaria como um fio. Esse efeito é conhecido como espaguetificação. Já em buracos negros super massivos, como o do centro da Via Láctea, a gravidade é mais uniforme. O astronauta não sentiria essa força de imediato e poderia sobreviver por um tempo dentro do horizonte de eventos. Contudo, ao final o destino seria o mesmo, a singularidade. A gravidade de um buraco negro não afeta apenas o que cai dentro dele. Sua influência pode ser sentida a grandes distâncias. Se o sol fosse substituído por um buraco negro com a mesma massa, a Terra não seria sugada. Ela continuaria orbitando normalmente, pois a força gravitacional a essa distância seria exatamente a mesma. O que mudaria é que a Terra ficaria completamente no escuro. Entretanto, nem tudo que se aproxima de um buraco negro é engolido. O material ao redor pode formar um disco de acreção, uma estrutura de gás e poeira, girando a velocidades absurdas. A fricção entre essas partículas gera temperaturas altíssimas, produzindo um brilho tão intenso que pode ser visto há milhões de anos luz. Alguns buracos negros super massivos ainda emitem jatos de partículas que viajam quase à velocidade da luz. Esses fenômenos são conhecidos como quazares. Esses jatos são tão energéticos que podem afetar galáxias inteiras. Em muitos casos, buracos negros supermassivos controlam o fluxo de matéria no centro das galáxias e até impedem a formação de novas estrelas. Em escala cósmica, funcionam como motores gigantes que influenciam profundamente o ambiente ao redor de algo que os cientistas ainda estão tentando entender. E como esses monstros cósmicos se formam. Os buracos negros menores surgem do colapso de estrelas muito massivas ao fim de suas vidas. Já os buracos negros super massivos, com milhões ou até bilhões de vezes a massa do sol, ainda são um mistério. A ciência não sabe ao certo como eles cresceram tanto. A hipótese mais aceita é que eles começaram pequenos e foram devorando matéria ao longo de bilhões de anos. No entanto, há um detalhe curioso que pouca gente comenta: os buracos negros não são completamente negros. Em 1964, Stephen Hawkin descobriu que eles emitem uma radiação fraca chamada de radiação de Hawken. Segundo Hawken, ao longo de trilhões de anos, um buraco negro pode evaporar completamente. O problema é que isso levanta uma questão desconfortável. Se ele desaparece, para onde vai tudo o que foi engolido? Na física nada se perde, tudo se transforma. Por exemplo, se você queimar um livro, parece que ele desapareceu, mas a informação ainda está ali nas cinzas, nos gases e no calor liberado. Em teoria, com tecnologia suficiente, seria possível reconstruí-lo. Os cálculos iniciais de Hawen indicavam que os buracos negros eliminam essa informação para sempre. O que viola as leis da física? Esse dilema é um dos maiores mistérios da ciência moderna. Alguns físicos acreditam que a informação fica codificada na radiação de Hawken, mas ninguém sabe como. Outros cientistas sugerem que os buracos negros podem ser portais para outros universos ou que o espaçotempo dentro deles funciona de forma completamente diferente. Seja qual for a resposta, uma coisa é certa. Os buracos negros continuam sendo um dos fenômenos mais fascinantes dos cosmos. Durante muito tempo, eles foram apenas previsões teóricas. Ninguém sabia como realmente eram, apenas que existiam. Isso mudou em 2019, quando os cientistas capturaram a primeira imagem de um buraco negro. O objeto fotografado foi um verdadeiro monstro cósmico localizado na galáxia M87 a 55 milhões de anos luz da Terra, com cerca de 6 bilhões de vezes a massa do Sol. Ele é um dos maiores buracos negros já detectados. A imagem histórica só foi possível graças ao projeto Event Horizon Telescope. Esse projeto reuniu diversos radiotelescópios espalhados pelo planeta. Nenhum telescópio isolado conseguiria captar algo tão distante. Para superar essa limitação, os cientistas conectaram vários telescópios ao redor do mundo, formando um super telescópio do tamanho da Terra. Isso permitiu uma resolução altíssima, capaz de enxergar detalhes minúsculos, mesmo a bilhões de trilhões de quilômetros de distância. Contudo, há um detalhe surpreendente. O que vemos na imagem não é exatamente o buraco negro. Ele, por si só, não emite luz. O brilho vem do material ao seu redor. Esse material forma o disco de acreção, um anel de gás. super aquecido que gira em velocidades próximas a da luz. O atrito entre as partículas aquece o disco a temperaturas extremas, fazendo-o brilhar. Esse brilho revela a presença do buraco negro e desenha a sua silueta no espaço. Há algo ainda mais estranho. A luz desse disco não se espalha em linha reta. A gravidade extrema do buraco negro curva os raios de luz ao seu redor, distorcendo a imagem. O resultado é a famosa sombra do buraco negro, uma região escura cercada por um anel brilhante. Essa distorção havia sido prevista por Albert Einstein mais de 100 anos antes da imagem ser capturada. Em 2022, os cientistas conseguiram fotografar outro buraco negro, Sagitário, a estrela, o gigante que habita o centro da Via Láctea. Diferente do M87, ele é bem menor, tem cerca de 4 milhões de vezes a massa do Sol. Mesmo sendo menor, continua sendo um dos objetos mais extremos da galáxia. E fotografá-lo foi um desafio ainda maior. Ele está apenas 27.000 anos luz da Terra, bem mais perto, mas seu tamanho reduzido faz com que o material ao redor orbite muito mais rápido, mudando de posição em poucos minutos. Enquanto o disco de agressão do M87 leva dias para girar, o de Sagitário, a estrela, muda a sua aparência em questão de horas. Para capturar sua imagem, os cientistas precisaram processar uma enorme quantidade de dados e reconstruir um padrão estável a partir das rápidas variações. A comparação entre os dois revelou algo fascinante. Apesar dos tamanhos completamente diferentes, ambos possuem a mesma estrutura básica, um disco de acreão brilhante, uma sombra escura no centro e um campo gravitacional tão intenso que distorce o espaço ao redor. Isso confirma um princípio fundamental da relatividade geral. As leis da física se aplicam da mesma forma em escalas totalmente diferentes. Mas afinal, como esses buracos negros se formaram? Sagitário, a estrela provavelmente surgiu da fusão de diversos buracos negros menores ao longo de milhões de anos. Já o M87 pode ter crescido ao devorar estrelas e nuvens de gás que encontrou pelo caminho. E há buracos negros ainda maiores. O maior, já descoberto, tem mais de 60 bilhões de vezes a massa do sol e está localizado na galáxia Hberg 15a. E a busca continua. Alguns astrônomos acreditam que podem existir buracos negros ainda mais gigantescos escondidos nos centros das galáxias mais distantes do universo. As imagens dos buracos negros não apenas provaram sua existência, como abriram a nova janela para o estudo desses objetos misteriosos. Agora, os cientistas planejam aprimorar a tecnologia do Event Horizon Telescope para obter imagens ainda mais nítidas. O objetivo é observar os detalhes mais sutis dos discos de acreção, entender como os campos magnéticos interagem com os buracos negros e, quem sabe, até flagrar a ejeção de matéria em tempo real. Estamos apenas no começo da exploração dos buracos negros. O que já foi capturado é impressionante, mas o que ainda está por vir pode transformar completamente nossa compreensão do universo. E por falar nisso, o infinito pode ser um lugar extremamente violento. Em suas profundezas, buracos negros colidem, liberando a quantidade de energia tão absurda que abala a própria estrutura do espaçotempo. Esses choques cósmicos geram ondas gravitacionais, ondulações invisíveis que viajam pelo universo à velocidade da luz. Albert Einstein previu esse fenômeno em 1915, ao formular a teoria da relatividade geral. Apesar da precisão dos cálculos, ninguém sabia se essas ondas realmente existiam. Por mais de um século, elas permaneceram apenas como uma ideia teórica. Isso mudou em 2015, quando os cientistas do experiente Ligo captaram pela primeira vez a assinatura inconfundível de uma fusão de buracos negros. Dois objetos, com massas dezenas de vezes maiores que o Sol, colidiram há mais de 1 bilhão de anos luz da Terra. No momento da fusão, uma quantidade absurda de energia foi liberada, o equivalente a três vezes a massa do Sol, convertida em pura radiação gravitacional. O impacto foi tão intenso que as ondas resultantes atravessaram o universo, distorcendo o próprio tecido do espaçot-tempo. No entanto, essa distorção é extremamente sutil. Quando essas ondas passaram pela Terra, alteraram a distância entre dois pontos em menos de um trilonésimo de diâmetro de um átomo. Para detectar algo tão minúsculo, foi necessário realizar um dos experimentos mais sensíveis da história da ciência. O ligo Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory. O observatório de ondas gravitacionais por interfermetro a laser utiliza dois túneis de 4 km de comprimento posicionados em ângulo reto. Dentro desses túneis, lasers extremamente precisos são refletidos por espelhos e retornam ao ponto de origem. Qualquer mínima alteração no espaço-tempo muda o tempo que a luz leva para percorrer os túneis. Essa diferença foi a assinatura da primeira detecção direta de ondas gravitacionais. Mas isso foi apenas o começo. Desde então, o Ligo e seu parceiro europeu, o Virgo, detectaram dezenas de colisões entre buracos negros e estrelas de nêutrons. Cada fusão gera um tipo específico de onda gravitacional, revelando dados sobre a massa, rotação e até a composição de objetos envolvidos. Um dos eventos mais impressionantes ocorreu em 2017, quando os cientistas detectaram a colisão de duas estrelas de nêutrons. Diferente das fusões de buracos negros, essa liberação de energia também produziu luz, permitindo que telescópios ao redor do mundo registrassem o fenômeno em tempo real. O que os astrônomos observaram foi uma explosão chamada de Kilonova, um dos eventos mais poderosos do cosmo. Essa explosão acontece quando duas estrelas de nêutrons, ou uma estrela de nêutrons e um buraco negro colidem e se fundem. Essa fusão gerou elementos pesados, como ouro e platina, que foram lançados pelo espaço. Isso significa que muitos dos metais preciosos encontrados na Terra podem ter se originado em eventos como esse ocorridos bilhões de anos atrás. Contudo, as ondas gravitacionais não servem apenas para detectar colisões violentas. Elas também se tornaram uma nova ferramenta para estudar o universo. A astronomia tradicional depende da luz para observar estrelas e galáxias, mas as ondas gravitacionais atravessam qualquer coisa, inclusive nuvens de poeira e gás que bloqueiam telescópios ópticos. Isso inaugura uma nova era na exploração do cosmos. Pela primeira vez, conseguimos estudar buracos negros de forma direta, sem depender apenas de cálculos teóricos ou imagens indiretas. Mais que isso, essas ondas podem nos levar até os momentos iniciais do universo. Se um evento catastrófico gerar ondas gravitacionais, elas continuarão viajando pelo espaço para sempre. Isso significa que se desenvolvermos detectores ainda mais sensíveis, poderemos captar ecos do próprio Big Bang ou de qualquer outro evento que tenha dado origem ao universo. Kipthorn, um dos cientistas responsáveis pelo estudo das ondas gravitacionais, descreveu esses eventos como tempestades no tempo e ele não exagerou. Cada fusão de buracos negros não apenas distorce o espaçot-tempo, mas também transforma a maneira como compreendemos a gravidade, o tempo e o próprio universo. Os detectores Ligo e Virgo continuam esperando com tecnologia cada vez mais refinada para captar eventos ainda mais distantes. Em breve, um novo projeto chamado Lisa Laser Interferometer Spacer Antena, ou antena espacial de interfermetro a laser, levará essa pesquisa ao espaço. Em vez de túneis subterrâneos, o Lisa utilizará três satélites posicionados a milhões de quilômetros uns dos outros, formando um detector gigantesco e muito mais sensível. Com ele, será possível detectar fusões de buracos negros supermassivos. aqueles com bilhões de vezes a massa do sol. Sendo assim, talvez estejamos enfim prestes a desvendar os mistérios mais profundos da gravidade, das singularidades e até mesmo das origens do espaço-tempo. O universo é um lugar de extremos. Em sua vastidão, forças colossais moldam galáxias, criam estrelas e destrói mundos. Agora, pela primeira vez, estamos conseguindo ouvir esses eventos, não com luz, mas com ondas invisíveis que vibram na própria estrutura da realidade. Os buracos negros sempre foram considerados devoradores de tudo que cruzasse seu caminho. Nada escaparia, nem luz, nem matéria, nem qualquer tipo de informação. Em 1974, Stephen Hawken fez uma descoberta que mudaria completamente essa ideia. Ele provou que buracos negros não são completamente negros, eles brilham. Esse brilho, conhecido como radiação de Hawking não vem de dentro do buraco negro, mas da região ao redor do horizonte de eventos. Segundo a mecânica quântica, o vácuo do espaço não é realmente vazio. Partículas surgem e desaparecem constantemente. Normalmente essas partículas virtuais aparecem em pares e se anulam quase que imediatamente. Se esse processo ocorrer bem na borda de um buraco negro, a partícula pode ser sugada para dentro enquanto a outra escapa. O resultado desse fenômeno é que o buraco negro perde energia e com o tempo encolhe. Essa descoberta foi considerada revolucionária. Até então, acreditava-se que buracos negros eram eternos, mas a radiação de Hawking mostrou que eles evaporam lentamente. E assim voltamos à pergunta: Para onde vai toda a informação que entra em um buraco negro? A resposta mais promissora vem da física quântica. Alguns teóricos propuseram que o horizonte de eventos pode funcionar como uma espécie de holograma, em que toda informação do que foi engolido fica registrada na superfície do buraco negro. Esse conceito conhecido como princípio holográfico sugere que toda informação contida dentro de um buraco negro pode ser descrita por uma superfície bidimensional ao seu redor. Essa ideia levou a uma hipótese ainda mais profunda. E se o espaço e o tempo emergirem de algo mais fundamental? Alguns físicos acreditam que o espaço-tempo, como conhecemos, não é uma estrutura básica do universo, mas um efeito emergente de interações quânticas ainda desconhecidas. Isso implicaria que a gravidade não é uma força fundamental, mas uma consequência de uma camada mais profunda da realidade. Se isso for verdade, os buracos negros podem ser a chave para entender essa dimensão oculta da natureza. Nos últimos anos, avanços na teoria das cordas e na gravidade quântica sugerem que a informação pode ser preservada de formas que ainda não compreendemos completamente. Algumas hipóteses indicam que buracos negros possuem estruturas sutis que codificam a informação de tudo que foi engolido. Outras ideias propõem que eles possam estar conectados a diferentes pontos do universo através de buracos de minhoca, abrindo o caminho para uma nova forma de transporte de informação e, quem sabe para uma nova compreensão da realidade.