Buracos Negros

Buracos Negros

Algumas semanas após Albert Einstein revelar a Teoria da Relatividade Geral, Karl Schwarzschild havia calculado uma solução exata para a teoria de Einstein e enviou para ele. Na solução dele para as equações de Einstein, ele descobriu algo que nem mesmo o próprio Einstein havia previsto. Matematicamente, Schwarzschild concentrou a massa de uma estrela, por exemplo, em um único ponto, depois ele calculou como essa massa dobraria o tecido do espaço-tempo e curvaria os raios de luz que passassem por perto. Em seus cálculos, ele mirou partículas de luz ou matéria em direção a esse ponto, e descobriu que havia uma “fronteira” o cercando na qual as partículas desapareceriam e até mesmo o tempo pararia, essa “fronteira” seria o horizonte de eventos.

Nas décadas seguintes, após o término da Primeira Guerra Mundial, os físicos aprenderam mais sobre o átomo e como a fusão dos átomos abastece as estrelas, alguns começaram a questionar se algo como um buraco negro poderia vir de uma estrela. No universo há milhares de pequenas estrelas e poucas estrelas bem grandes que são incrivelmente massivas. Em 1930, Subrahmanyan Chandrasekhar e Robert Oppenheimer estavam pesquisando sobre o ciclo de vida das estrelas e descobriram que as estrelas maiores chegam ao fim da vida de uma maneira bem diferente das estrelas menores. As estrelas menores não conseguem fundir elementos mais pesados que hélio, mas nas estrelas maiores, a fusão junta átomos cada vez mais pesados até chegar no ferro, o ferro é um elemento muito massivo e por isso quando conseguem fundi-lo, não recebe muita energia de volta, a estrela acaba não tendo mais energia para sustentá-la, ela acaba entrando em colapso, ou seja, muito rápido trilhões de toneladas de material são esmagadas, atingem o núcleo denso e retornam, explodindo as camadas externas da estrela em uma enorme explosão, que é chamada de supernova. Se a estrela que “morreu” tiver mais que 25 massas solares (25 vezes a massa do Sol), parte da massa da estrela se concentra em um único ponto e vira um objeto invisível e absurdamente denso, um buraco negro.

O físico de Princeton John Wheeler foi o primeiro a chamar esses objetos invisíveis de buracos negros. O termo “buraco negro” veio da Índia, O Buraco Negro era o nome de  uma prisão infame em Calcutá.

A maior dificuldade dos cientistas era realmente detectar sinais de buracos negros, pois como veríamos algo que é invisível?  O jeito era observar os efeitos que os buracos negros tinham nos arredores. A detecção de raios-x e ondas de rádio no cosmos foi primordial para os avanços científicos com relação a buracos negros, pois isso se torna uma ferramenta para visualizarmos objetos turvos ou até invisíveis. Uma das primeiras fontes de raio-x a chamar a atenção dos astrônomos chama-se Cygnus X-1.

Usando o maior telescópio da Inglaterra, Paul Murdin começou a buscar a área da constelação do Cisne, ele decidiu procurar por estrelas binárias, que são pares de estrelas que se orbitam, presas pela gravidade. A pergunta que Murdin se fez foi “ É possível que existam binárias onde apenas uma das estrelas é visível?”, a suposição que ele fez era que, uma das estrelas era comum e emitiria luz e a outra emitiria raios-x. O que revela uma binária é as estrelas se moverem uma ao redor da outra, então Murdin começou a procurar uma estrela visível que mostrasse sinais de movimento, às vezes ela viria pra perto, às vezes se afastaria, quando a estrela está vindo para perto de nós, parece mais azul, já que o comprimento de onda de sua luz fica mais curto, e ao se afastar, parece mais vermelha, já que o comprimento de onda de sua luz fica mais longo, isto é conhecido como efeito Doppler.

A Cygnus X-1 se encaixava perfeitamente no que Murdin procurava, havia uma estrela comum, mas a segunda não era visível. O segundo objeto emitia raios-x, tinha massa e gravidade suficientes para mover drasticamente uma estrela, mas não emitia luz. A pergunta que Murdin se fez dessa vez era “Seria o cadáver de uma estrela grande o suficiente para se tornar um buraco negro?”.

A questão crucial para determinar se Cygnus X-1 era um buraco negro era medir a massa do objeto que estava emitindo raios-x, teria que ser imenso, ao menos vezes maior que a massa do Sol. Murdin, a partir de suas observações, pôde fazer uma estimativa da massa do objeto invisível, a resposta foi 6 vezes mais que a massa do Sol. O artigo de Paul Murdin e sua colega de trabalho Louise Webster foi publicado em setembro de 1971 onde apenas no final dizia que o objeto poderia ser um buraco negro, outros astrônomos concordam, mas ninguém sabia ao certo.

Três anos depois, Kip Thorne e o físico britânico Stephen Hawking fizeram uma famosa aposta sobre Cygnus X-1, eles apostaram se a binária seria ou não um buraco negro, Thorne era a favor e Hawking era contra.

Para calcular exatamente a massa do objeto, era preciso saber com precisão a distância de Cygnus X-1, mas essa incógnita não seria preenchida por mais de 20 anos, até o astrônomo Mark Reid ficar intrigado com o enigma. Usando leis desenvolvidas pelo astrônomo Johannes Kepler no século 17, é possível calcular a massa de um objeto celestial, mas só se souber a distância dele. A distância na astronomia é tão fundamental que se você não souber a distância, não saberá o que o objeto é. O segredo estava num fenômeno chamado paralaxe, é o que nossos olhos e cérebro  usam para enxergarmos em três dimensões. Para usar a paralaxe para medir a distância de objetos no céu, os astrônomos deixam o movimento de translação da Terra nos proporcionar dois pontos de vista, como na imagem abaixo: [pic 1]

Representação da paralaxe

        Temos então um triângulo que fica entre a Terra e suas duas posições, e Cygnus X-1, nós conhecemos a base do triângulo, que é o diâmetro da órbita da Terra, e os princípios da geometria nos dizem que tudo o que precisamos para calcular a distância é do tamanho do ângulo de cima. O conceito era muito simples, mas Cygnus X-1 estava tão longe que o ângulo a ser medido era minúsculo, uma pequena fração de um grau. O ângulo não podia ser medido por um telescópio comum, mas a equipe de Reid tinha uma solução, eles pegaram dez radiotelescópios espalhados pelos E.U.A., no Havaí e nas Ilhas Virgens, os usaram simultaneamente e criaram em um computador, um telescópio que tem o diâmetro da Terra, usando essa técnica, a equipe de Reid determinou que a distância de Cygnus X-1 é de seis mil anos-luz. Com a distância descoberta, pudemos então determinar a massa do objeto, que é de cerca de 15 massas solares, facilmente um buraco negro. Cygnus X-1 então foi aceito como sendo o primeiro buraco negro confirmado.