10 maneiras pelas quais os buracos negros continuam a nos surpreender

Um buraco negro é uma grande quantidade de matéria comprimida em uma área minúscula com uma enorme atração gravitacional para seu tamanho. Muitos buracos negros se formam a partir de estrelas gigantes moribundas que colapsam sobre si mesmas. Mas mesmo sendo buracos negros, eles continuam a orbitar e a exercer a mesma atração gravitacional sobre os objetos ao seu redor.

Visualize desta forma. Se a Terra se tornasse um buraco negro (o que não poderia acontecer), pesaria o mesmo que tem hoje, mas seu tamanho seria menor que o de um globo ocular humano . No entanto, esse globo ocular teria a mesma atração gravitacional, então a Lua continuaria orbitando em torno dele.

Você não veria o buraco negro diretamente porque a fronteira em torno de sua boca (chamada de “horizonte de eventos”) retém a luz em seu interior. Mas, tal como o vento invisível que faz com que as árvores se dobrem e balancem, acreditamos que os buracos negros existem devido ao seu efeito no ambiente que os rodeia.

Nem todos os cientistas acreditam em buracos negros . Mas para quem o faz, as surpresas continuam chegando.

10 Nossos primeiros ancestrais podem ter visto o buraco negro da Via Láctea

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Há cerca de dois milhões de anos, o buraco negro supermassivo no centro da nossa galáxia ganhou vida com um brilho radiante. Naquela época, o homem estava apenas começando a andar ereto. Nossos ancestrais teriam visto uma luz do tamanho da lua no céu meridional que parecia uma bola de penugem brilhante ou uma mancha.

Nosso buraco negro, Sagitário A*, está quieto agora. Mas naquela época, acreditava-se que era um núcleo galáctico ativo (AGN), o centro compacto produtor de energia de uma galáxia que supera em muito o resto dela. Um buraco negro em alimentação pode ser a fonte de um AGN, pois a sua atração gravitacional atrai matéria, formando um disco que aquece e brilha. Se o disco atrair grandes quantidades de matéria, dois jatos brilhantes de partículas de alta energia serão lançados do buraco negro perpendicularmente à sua rotação.

Os astrónomos desenvolveram esta teoria AGN em 2010, depois de detectarem duas bolhas de Fermi que se estendiam por 25.000 anos-luz acima e abaixo da nossa galáxia. Os cientistas acreditam que os jatos AGN poderiam ter produzido essas bolhas entre um e três milhões de anos atrás.

O show de luzes do buraco negro teria durado alguns milhares de anos para nossos ancestrais. Segundo o antropólogo Chris Stringer, “Foi o início do gênero Homo . A fabricação de ferramentas de pedra já havia começado, mas o cérebro estava apenas começando a se expandir.” Se Sagitário A* se tornar AGN novamente, poderemos ter nosso incrível show de luzes no céu noturno.

9 Nem toda potência cósmica é um buraco negro

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Durante décadas, muitos cientistas acreditaram que fontes de raios X extremamente brilhantes, conhecidas como fontes de raios X ultraluminosas (ULX) , deviam ser causadas por buracos negros que comiam estrelas ou outra matéria.

Quando a imensa gravidade de um buraco negro atrai o gás de uma estrela próxima, esse gás desce em espiral para formar um disco de acréscimo ao redor do buraco negro. Como a água circulando antes de ir para o ralo, o gás acelera muito, aquecendo a temperaturas extremamente altas que liberam raios X brilhantes em todas as direções. Quanto maior o buraco negro que se alimenta, mais ele consome e mais brilhante é a luz.

Essa era a teoria. Então, na galáxia próxima M82, os astrônomos descobriram acidentalmente uma fonte ULX que pulsava, emitindo um feixe brilhante de raios X que passava pela Terra a cada 1,37 segundos como um farol . O problema é que os buracos negros não pulsam. Pulso pulsar.

Um pulsar é uma estrela de nêutrons giratória (o remanescente de uma estrela moribunda que não era grande o suficiente para se tornar um buraco negro) que emite luz de raios X a partir de seus pólos magnéticos, como o farol que acabamos de descrever. Mas o pulsar na galáxia M82 é 100 vezes mais brilhante do que a sua massa deveria permitir, de acordo com uma diretriz física chamada limite de Eddington. Não deveria ser uma fonte ULX.

“Podemos pensar neste pulsar como o Mighty Mouse dos remanescentes estelares”, disse Fiona Harrison, do Instituto de Tecnologia da Califórnia. “Tem todo o poder de um buraco negro com muito menos massa. O pulsar parece estar comendo o equivalente a uma dieta de buraco negro.”

Os astrônomos agora precisam reexaminar outras fontes ULX para ver se elas pulsam. Eles não podem mais presumir que toda fonte ULX, ou usina cósmica, é um buraco negro.

8 Mais guloso do que se imaginava

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Crédito da foto: Tom Russell/ICRAR

Até recentemente, os cientistas pensavam que o tamanho de um buraco negro determinava a velocidade máxima a que este poderia consumir e produzir luz (o limite de Eddington). Então eles descobriram o P13, um buraco negro na galáxia NGC7793, que gira em torno de uma estrela supergigante enquanto a canibaliza. Mas a P13 está a empanturrar-se do gás da sua estrela companheira 10 vezes mais rápido do que os astrónomos acreditavam ser possível.

Acredita-se que P13 seja 15 vezes menor que o nosso Sol, mas um milhão de vezes mais brilhante . Tem a capacidade de devorar a sua estrela companheira em menos de um milhão de anos, o que é rápido no tempo cósmico.

Este pequeno buraco negro consome matéria com peso igual a 100 bilhões de bilhões de cachorros-quentes a cada minuto. “Como a famosa lenda comedora de cachorro-quente Takeru Kobayashi nos mostrou, o tamanho nem sempre importa no mundo da alimentação competitiva, e mesmo pequenos buracos negros podem consumir gás a uma taxa excepcional”, disse o astrônomo Dr. Roberto Soria.

Tal como o pulsar M82, o P13 é uma fonte de raios X ultraluminosa que não só viola o limite de Eddington como também o expulsa da galáxia. Os astrônomos agora percebem que pode não haver um limite estrito de quanto um buraco negro pode comer.

7 Buracos negros supermassivos podem ser mais numerosos do que pensávamos

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Os buracos negros vêm em uma variedade de tamanhos, desde primordiais (que podem ser tão pequenos quanto um átomo) até supermassivos (com massas maiores que um milhão de sóis compactados no tamanho de um sistema solar). Pode até haver um tamanho extragrande raro chamado ultramassivo .

Ao mesmo tempo, acreditava-se que apenas galáxias maiores continham buracos negros massivos. Mas no início de 2014, os astrónomos revelaram que mais de 100 pequenas galáxias anãs parecem ter buracos negros massivos nos seus centros. Em comparação com a coleção de 200-400 mil milhões de estrelas da nossa Via Láctea, uma galáxia anã tem apenas alguns mil milhões de estrelas e muito menos massa.

Então, em setembro de 2014, os astrónomos anunciaram que tinham encontrado um buraco negro supermassivo numa galáxia anã ultracompacta chamada M60-UCD1, a galáxia mais densa conhecida atualmente. Se você morasse em M60-UCD1, veria pelo menos um milhão de estrelas no céu noturno , em oposição às 4.000 estrelas que vemos da Terra a olho nu.

Embora o buraco negro central da Via Láctea tenha uma massa de quatro milhões de sóis, representa menos de 0,01% da massa total da nossa galáxia. Em comparação, o buraco negro central de M60-UCD1 é um monstro, com uma massa de 21 milhões de sóis, o que representa 15% da massa total da sua galáxia.

Com base nestas descobertas, alguns astrónomos acreditam que muitas galáxias anãs ultracompactas podem ser restos de galáxias maiores que foram dilaceradas quando colidiram com outras galáxias. Portanto, pode haver tantos buracos negros supermassivos nos centros de galáxias anãs ultracompactas quanto em galáxias maiores.

6 Devorando massa como um bebê Pac-Man

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Crédito da foto: M. Kornmesser/ESO

Quasares são os centros brilhantes das galáxias mais distantes que podemos ver no nosso universo. Acredita-se que sejam buracos negros supermassivos com discos de acreção que emitem raios X incrivelmente brilhantes. Os quasares podem brilhar até dois triliões de vezes mais que o nosso Sol . Eles podem estar a bilhões de anos-luz de distância da Terra. Olhar para um quasar é olhar para trás no tempo, para a foto do seu bebê .

Os cientistas ficaram intrigados sobre como um buraco negro primitivo poderia começar a vida com uma estimativa de 10 massas solares e depois crescer rapidamente para mais de um bilhão de massas solares logo após o big bang. Em condições normais, o gás puxado em direção a um buraco negro desce em espiral para formar um disco de acreção. Algum gás escorre para dentro, mas vários processos geralmente retardam o crescimento de um buraco negro.

Os investigadores acreditam que o Universo primitivo continha fluxos de gás frio que eram muito mais densos do que os que existem hoje. Um jovem buraco negro teria se movido rapidamente, mudando continuamente de direção, como um bebê Pac-Man devorador, à medida que estrelas bebês próximas o derrubavam. Estas rápidas mudanças direcionais podem ter permitido que o buraco negro comesse material diretamente desses fluxos de gás mais densos tão rapidamente que a espiral lenta nunca aconteceu. À medida que o buraco negro crescia, ele comia ainda mais rápido. Em 10 milhões de anos cosmicamente rápidos, o buraco negro teria crescido de 10 massas solares para 10.000 massas solares. Então a taxa de crescimento teria desacelerado. Mas o caminho para um peso de pelo menos mil milhões de massas solares teria sido traçado.

5 Buracos negros podem impedir a formação de estrelas

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Crédito da foto: ESO

Em galáxias maduras, os investigadores descobriram que buracos negros massivos podem impedir o desenvolvimento de estrelas bebés, expelindo partículas que emitem ondas de rádio. Viajando perto da velocidade da luz, estes jactos aquecidos actuam como interruptores para impedir que o gás quente na galáxia arrefeça e se condense em novas estrelas. Os cientistas não sabem porque é que os buracos negros centrais nestas galáxias mais antigas, muitas vezes elípticas, começam a emitir estas partículas.

Mas até recentemente, eles acreditavam que os buracos negros centrais massivos eram sempre os culpados pelas “galáxias vermelhas e mortas”, que consistem apenas em estrelas mais velhas. Depois descobriram várias galáxias jovens e compactas que estão a morrer prematuramente. Estas galáxias jovens têm a massa da Via Láctea comprimida numa área relativamente pequena.

Com base na sua investigação, uma equipa de astrónomos acredita que estas estrelas são responsáveis ​​por desligar o seu próprio interruptor nestas galáxias mais jovens. Uma explosão de atividade de formação de estrelas parece começar com a colisão de duas galáxias ricas em gás que canalizam grande quantidade de gás frio para o centro compacto da galáxia fundida. Então, a energia desta atividade frenética de nascimento pode explodir qualquer gás restante, o que desliga a futura formação estelar . Também é possível que o gás nestas galáxias simplesmente fique demasiado quente para arrefecer e condensar-se em novas estrelas.

4 O olho de Sauron mostra que os buracos negros pesam mais

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Os astrónomos pensam agora que os buracos negros supermassivos nos centros das galáxias têm 40% mais massa do que se acreditava originalmente. Isto pode ajudar a explicar por que o limite de brilho de Eddington não funciona com alguns cálculos atuais de massa.

Os pesquisadores usaram uma técnica de levantamento terrestre para medir a distância até a galáxia NGC 4151, cujo núcleo ativo é chamado de “Olho de Sauron” porque se parece com o homônimo dos filmes O Senhor dos Anéis . Uma técnica anterior estimou a distância da Terra ao buraco negro central de NGC 4151 em 13 milhões a 95 milhões de anos-luz.

Os cientistas decidiram usar os telescópios gêmeos Keck no Havaí – e matemática mais simples – para obter um resultado com quase 90% de precisão . O buraco negro da NGC 4151 estava ativo, alimentando-se de gás próximo e produzindo raios-X. Esta radiação ultravioleta aqueceu então um anel de poeira que orbita o buraco negro. Após 30 dias, a poeira emitiria radiação infravermelha. Utilizando o tempo de 30 dias e a velocidade da luz, os investigadores calcularam a distância entre o buraco negro e o anel de poeira.

Essa distância foi usada para formar a base de um triângulo isósceles . Depois de medir o ângulo no céu a partir do anel de poeira, os investigadores usaram geometria simples para calcular a distância até ao Olho de Sauron em aproximadamente 62 milhões de anos-luz.

Esta técnica muito mais simples dá-lhes agora a capacidade de medir a massa de buracos negros supermassivos com mais precisão. Outro uso é medir a rapidez com que o universo está se expandindo , o que ajudaria a determinar a idade do universo.

3 Explicando como os zangões voam

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Crédito da foto: Nome

Até recentemente, a maioria dos investigadores gravitacionais acreditava que o espaço-tempo não poderia ser turbulento. Mas três cientistas inverteram essa crença quando decidiram analisar se a gravidade poderia comportar-se como um fluido . Nas condições certas, os fluidos são turbulentos. Assim como o creme misturado ao café, eles podem girar e girar em vez de se moverem suavemente.

Os pesquisadores escolheram buracos negros de rotação rápida para seu estudo. O espaço-tempo é menos viscoso em torno dos buracos negros em rotação rápida, o que aumenta a possibilidade de turbulência, semelhante à forma como a água gira mais do que o melaço.

Os resultados foram surpreendentes, até para eles. “Ao longo dos últimos anos, passámos de uma séria dúvida sobre se a gravidade pode algum dia tornar-se turbulenta para uma confiança bastante elevada de que isso poderá acontecer”, disse o investigador Luis Lehner.

Em pouco tempo, isso pode passar de uma descoberta teórica a uma descoberta observável. Novos detectores poderão em breve ter a capacidade de detectar ondas gravitacionais , ondulações no espaço-tempo que se comportam como ondas no oceano quando um barco navega por ele. No espaço, o fluido gravitacional pode ondular devido a grandes eventos cósmicos, como a colisão de dois buracos negros.

Mas estas descobertas também podem ajudar-nos a compreender a turbulência aqui na Terra – incluindo a física dos furacões, o cisalhamento do vento nos aviões e o voo aparentemente impossível da abelha.

2 O centro de um mistério de assassinato galáctico

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Alguns astrónomos acreditam que um mistério de assassinato no espaço está a transformar pulsares em pequenos buracos negros. É chamado de “problema do pulsar ausente”.

Para recapitular, os pulsares são estrelas de nêutrons giratórias (restos de estrelas moribundas, pequenas demais para se tornarem buracos negros) que emitem radiação brilhante de seus pólos magnéticos como um farol. Com tantas estrelas na nossa galáxia, pelo menos 50 estrelas mortas deveriam ser pulsares no centro da nossa Via Láctea. Mas os astrônomos só conseguem encontrar um.

Existem várias explicações possíveis, mas uma das mais intrigantes envolve a matéria escura. Tal como os buracos negros, a matéria escura é invisível e só pode ser detectada pela forma como a sua atração gravitacional interage com outros objetos no espaço.

Dois pesquisadores propuseram que a gravidade de um pulsar pode atrair certas partículas de matéria escura, fazendo com que essa matéria escura inche o pulsar a um tamanho tão grande que ele colapse em um buraco negro. O pulsar torna-se tão grande que abre um buraco na estrutura do espaço-tempo e desaparece. “A matéria escura não consegue acumular-se tão densamente ou tão rapidamente no centro das estrelas regulares,” disse o investigador Joseph Bramante. “Mas nos pulsares, a matéria escura se acumularia em uma bola de cerca de 2 metros [7 pés]. Então essa bola entra em colapso em um buraco negro e suga o pulsar .”

Alguma matéria escura combina matéria e antimatéria em cada partícula. Essas partículas se destruiriam em contato. Assim, os investigadores acreditam que apenas partículas assimétricas de matéria escura (que são matéria ou antimatéria, mas não ambas) podem acumular-se no núcleo de um pulsar ao longo do tempo.

Há uma maior concentração de matéria escura no núcleo galáctico , o que pode explicar porque os pulsares estão ausentes apenas no centro da nossa Via Láctea.

1 Nosso universo pode ter surgido de um buraco negro 4-D

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Um grande problema com a teoria do big bang é que o nosso universo cientificamente previsível se origina de uma singularidade, um ponto infinitamente denso que não segue as mesmas regras da física. Os físicos não entendem as singularidades. Eles não conseguem explicar o que desencadeou o big bang. Alguns físicos acreditam que é improvável que um início tão caótico produzisse um universo com uma temperatura largamente uniforme.

Assim, três investigadores do Perimeter Institute propuseram uma nova teoria que insistem ser matematicamente sólida e testável. Eles argumentam que o nosso universo é o material externo violentamente ejetado da morte em supernova de uma estrela 4-D cujas camadas internas colapsaram em um buraco negro.

No nosso universo, um buraco negro 3-D tem um horizonte de eventos 2-D, o limite em torno da boca do buraco negro que representa o ponto sem retorno para qualquer coisa que caia dentro dele e fique preso pela gravidade.

Num universo com quatro dimensões espaciais, um buraco negro 4-D teria um horizonte de eventos 3-D. Nosso universo, o material ejetado da supernova, formaria uma membrana 3D ao redor do horizonte de eventos 3D. O crescimento dessa membrana é o que percebemos como expansão cósmica. Nosso universo 3-D teria herdado a uniformidade do universo pai 4-D se esse universo 4-D existisse há muito tempo.

Os pesquisadores ainda estão refinando seu modelo. Se considerarmos a sua teoria absurda, eles argumentam que isso acontece simplesmente porque não compreendemos um universo 4-D. Nosso pensamento é limitado por um mundo 3D que pode representar apenas a ponta da realidade .

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