Buracos negros: o que a ciência realmente já sabe

O que é um buraco negro

Um buraco negro não é um buraco, nem um aspirador cósmico que suga tudo em volta. É uma região do espaço onde tanta massa foi comprimida em tão pouco volume que a gravidade local supera qualquer outra força conhecida.

A ideia surgiu como consequência matemática da relatividade geral, formulada por Albert Einstein em 1915. Poucos meses depois, uma solução das equações mostrou que, se toda a massa de um corpo ficasse dentro de um raio crítico, nada a sustentaria contra o próprio peso.

Durante décadas, muitos físicos trataram isso como curiosidade teórica, algo que a natureza não permitiria. A partir dos anos 1960, observações em raios X e o estudo de estrelas em órbitas estranhas mudaram o quadro.

Hoje eles são objetos observados por métodos independentes: pelo efeito gravitacional sobre estrelas vizinhas, pela radiação da matéria que cai neles e por imagens diretas de sua sombra.

Horizonte de eventos e velocidade de escape

Para entender o conceito central, comece por algo familiar. Para deixar a Terra sem propulsão contínua, um objeto precisa atingir cerca de 11,2 km por segundo, a velocidade de escape do nosso planeta. Corpos mais massivos ou mais compactos exigem mais.

Imagine comprimir tanta matéria que a velocidade de escape alcance a velocidade da luz, aproximadamente 300 mil km por segundo. Como nada material viaja mais rápido que isso, nada mais sai. A fronteira em que isso acontece é o horizonte de eventos.

O horizonte não é uma superfície sólida, e sim um limite de não retorno, sem placa nem barreira. Quem o cruzasse não notaria nada de especial na passagem, mas já não teria volta.

O tamanho depende só da massa. Para a massa do Sol, o raio seria de aproximadamente 3 km. Para a massa da Terra, menos de 1 cm. Nem o Sol nem a Terra têm como se comprimir a esse ponto por conta própria.

O tempo desacelera perto do horizonte

Segundo a relatividade, quanto mais forte a gravidade, mais devagar o tempo passa ali, do ponto de vista de um observador distante. Perto de um horizonte o efeito fica extremo: um relógio em queda pareceria congelar, enquanto para quem cai o tempo seguiria normal.

Buracos negros estelares

A forma mais bem compreendida de produzir um buraco negro é o colapso de uma estrela muito massiva. Durante sua vida, uma estrela vive um equilíbrio: a fusão nuclear no núcleo gera pressão para fora, e a gravidade puxa para dentro.

Quando o combustível nuclear termina, o empate se rompe. Em estrelas que nasceram com massa muito superior à do Sol, estimada em mais de vinte vezes, o núcleo colapsa e nada consegue segurá-lo. A estrela explode como supernova e deixa um buraco negro no lugar.

Os exemplares assim conhecidos têm massas que vão de poucas vezes a algumas dezenas de vezes a massa do Sol. Muitos foram identificados em sistemas duplos, onde o buraco negro rouba gás de uma estrela companheira.

Existe ainda outro caminho: fusões entre buracos negros já formados, que produzem objetos maiores. É assim que se explicam alguns dos casos mais massivos dessa faixa.

Supermassivos e Sagitário A*

Existe uma segunda categoria, muito mais extrema. Praticamente toda galáxia grande parece abrigar em seu centro um buraco negro supermassivo, com massa de milhões a bilhões de vezes a do Sol.

O da Via Láctea se chama Sagitário A*, fica a uma distância estimada em cerca de 26 mil anos-luz e tem massa avaliada em algo próximo de 4 milhões de massas solares. A evidência veio de um trabalho paciente: durante décadas, equipes acompanharam estrelas que orbitam o centro galáctico a velocidades altíssimas.

Essas órbitas só se explicam por uma massa enorme concentrada em uma região pequena, sem brilho compatível com estrelas. Em 2020, o Prêmio Nobel de Física reconheceu essa linha de pesquisa, dividido entre Roger Penrose, Reinhard Genzel e Andrea Ghez.

Como esses gigantes se formaram é pergunta aberta. Eles já existiam quando o Universo tinha menos de um bilhão de anos, e explicar crescimento tão rápido segue um desafio.

As primeiras imagens: 2019 e 2022

Fotografar um buraco negro parece contradição, já que ele não emite luz. O truque é registrar sua sombra: a silhueta escura recortada contra o gás quente e brilhante que o cerca.

Foi o que fez a colaboração Event Horizon Telescope, uma rede de radiotelescópios que trabalham em conjunto, como se formassem uma antena do tamanho da Terra. O volume de dados foi tão grande que precisou viajar de avião até os centros de processamento.

Em 2019, a equipe divulgou a primeira imagem de um buraco negro: o do centro da galáxia M87, com massa estimada em bilhões de massas solares, a algo como 55 milhões de anos-luz. A imagem mostrava um anel de luz assimétrico em torno de uma região escura.

Em 2022, veio a imagem de Sagitário A*, bem mais difícil, porque o gás ao redor dele muda de configuração em minutos. As duas ficaram notavelmente próximas do previsto pela relatividade.

Discos de acreção e jatos

A maior parte do que sabemos sobre buracos negros vem, ironicamente, da matéria que ainda não caiu neles. Gás capturado não despenca em linha reta: ele entra em órbita e forma um disco achatado, chamado disco de acreção.

Nesse disco, camadas vizinhas roçam umas nas outras e o atrito aquece o material a milhões de graus. Assim aquecido, o gás emite raios X, detectados por telescópios espaciais. Foi por esse caminho que surgiram os primeiros candidatos.

Parte da matéria nunca chega ao horizonte. Campos magnéticos intensos, retorcidos pela rotação, lançam jatos de partículas em velocidades próximas à da luz, perpendiculares ao disco.

Em galáxias ativas, esses jatos se estendem por milhares de anos-luz e aparecem em ondas de rádio. O jato de M87 é o mais fotografado, e sua orientação ajudou a interpretar a imagem de 2019.

Ondas gravitacionais

A relatividade prevê que massas em movimento acelerado produzem ondulações no próprio espaço-tempo, chamadas ondas gravitacionais. Elas atravessam o Universo esticando e comprimindo o espaço por quantidades minúsculas.

Detectar isso exigiu instrumentos de precisão absurda. Os detectores do observatório LIGO usam feixes de laser em túneis de quilômetros para medir variações menores que o diâmetro de um próton.

Em setembro de 2015 os dois detectores registraram, com poucos milissegundos de diferença, o sinal de uma fusão entre dois buracos negros ocorrida a mais de um bilhão de anos-luz. O anúncio da primeira detecção direta foi feito em fevereiro de 2016 e rendeu o Prêmio Nobel de Física de 2017.

O sinal durou uma fração de segundo, mas revelou as massas envolvidas, cada uma estimada em algumas dezenas de massas solares. Desde então, dezenas de eventos semelhantes foram observados, e o estudo desses objetos virou estatística.

O que ainda não sabemos

Honestidade intelectual é parte da ciência, e aqui ela é obrigatória. Dentro do horizonte, a relatividade geral aponta para uma singularidade, um ponto de densidade infinita. Infinito, em física, quase sempre indica que a teoria chegou ao seu limite de validade.

Descrever esse interior exigiria unir a relatividade, que trata da gravidade em grande escala, com a mecânica quântica, que descreve o mundo subatômico. Essa união ainda não existe de forma testada, e é um dos maiores problemas abertos da física.

Há outras perguntas em aberto:

• O que acontece com a informação sobre a matéria que atravessa o horizonte
• Se buracos negros realmente evaporam devagar, emitindo radiação, como propôs Stephen Hawking em 1974
• Como surgiram os primeiros buracos negros supermassivos, tão cedo na história do Universo
• Quão comuns são os objetos de massa intermediária, entre os estelares e os supermassivos

Nada disso enfraquece o que já foi estabelecido. Buracos negros existem, foram medidos por métodos independentes e se comportam como a teoria previa. O desconhecido começa depois do horizonte.