CTP - Relatório sobre Buracos

UNIVERSIDADE DE COIMBRA FACULDADE DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA Departamento de Engenharia Informática

Os Buracos Negros

Trabalho realizado por: Gonçalo Lourenço Martins–955010006–gmartins@student.dei.uc.pt no âmbito da cadeira de Comunicação Técnica e Profissional

Índice:

    - Resumo
    - Introdução
    -Os Buracos Negros
        - O que são
        - Como se formam
        - Que tamanho podem ter
        - Como sabemos que existem
        - O que muda perto de um Buraco Negro
    - Conclusão
    - Bibliografia

Resumo

O que são, como se formam, porque se formam e quais as suas características, são as respostas a estas perguntas sobre Buraco Negros, que de seguida vou apresentar.

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Introdução

    O Universo, em toda a sua imensidão, tem ainda muito segredos por desvendar. O homem, aos poucos, começa a entender melhor o fenómeno dos Buracos Negros.
    Um dos mais intrigantes é a maneira como o tempo se comporta num Buraco Negro. Alguns cientistas especulam que pode estar aí a solução para as viagens no tempo. Mas não é só o tempo que se altera nas proximidades de um Buraco Negro.
    Primeiro, vou começar por explicar o que é um Buraco Negro, e quais são as suas principais componentes. Vamos ver o que é o horizonte de acontecimentos, e como ele é fundamental para o Buraco Negro ser “realmente” um Buraco Negro. A singularidade é outro sítio interessante de um Buraco Negro. Para melhor a explicar, estão a fazer-se avanços na física quântica devido às suas estranhas características. Aliás, há quem defenda que o todo o Universo é um Buraco Negro.
    Depois vou mostrar como se forma um Buraco Negro. Quais as fases por que passa, as estrelas que se transformam e as que não e o porquê de não se transformarem.
    Os dois temas acima descritos são a parte mais importante deste relatório. Mas, vou ainda falar das provas que temos sobre a existência dos Buracos Negros, qual o tamanho que podem ter e como o tempo se comporta perto de um Buraco Negro.

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Os Buracos Negros

    Um Buraco Negro, numa maneira muito simplista, é uma região do espaço onde há tanta massa concentrada que é impossível a qualquer corpo fugir à sua força gravitacional. Como até agora o melhor conhecimento sobre gravidade que temos, é a teoria da relatividade de Einstein, vamos tentar perceber melhor alguns resultados dessa teoria.
    Vamos supor que estamos de cima de um planeta qualquer (por exemplo, a Terra para não irmos muito longe). Agora, agarramos numa pedra e atiramo-la para o ar. O que vai acontecer é que devido à força gravitacional do planeta, a pedra vai perder velocidade até que volta a cair no chão. Mas, se conseguirmos atirar a pedra com força suficiente, ele venceria a força gravitacional e continuaria a subir eternamente. À força que é preciso aplicar à pedra para escapar à gravidade do planeta chama-se velocidade de escape. Na Terra, a velocidade de escape é de 11.2 Km por segundo enquanto na lua é de apenas 2.4 Km por segundo.
    Agora imagine um objecto com uma concentração de massa tão grande, que a velocidade de escape é maior do que a velocidade da luz. Como nada é mais rápido do que a luz, nada consegue escapar ao campo gravitacional do objecto.
    A ideia de uma concentração de massa tão grande, que nem um raio de luz lhe conseguiria escapar, já vem de Laplace no século XVIII. Quase imediatamente depois de Einstein ter desenvolvido a teoria geral da relatividade, Karl Schwarzschild descobriu uma solução matemática para as equações da teoria que descreviam tal objecto. Só muito mais tarde, com o trabalho de pessoas com o Oppenheimer, Volkoff e Snyder nos anos 30 as pessoas pensaram seriamente sobre a possibilidade de esses objectos existirem realmente no Universo. Estes cientistas mostraram que quando uma estrela suficientemente massiva fica sem combustível, não consegue suportar-se contra a sua própria força gravitacional e acaba por transformar-se num Buraco Negro. Mais à frente explicarei este mecanismo com mais detalhe.
    Na relatividade geral, a gravidade é uma manifestação da curvartura do espaço e do tempo. Objectos com uma grande concentração de massa distorcem o espaço e o tempo de maneira a que as regras normais de geometria deixam de se aplicar. Perto de um Buraco Negro, esta distorção do espaço é extremamente severa e leva a que os Buracos Negros tenham algumas propriedades muito estranhas. Em particular, os Buracos Negros têm algo chamado “horizonte de acontecimentos” (vou apenas chamar-lhe horizonte). O horizonte é uma superfície esférica que marca a fronteira do Buraco Negro. Podes passar para lá do horizonte, mas já nunca poderás sair. Podemos pensar no horizonte como o local onde a velocidade de escape iguala a velocidade da luz. O horizonte tem algumas propriedades geométricas muito estranhas. Para um observador que esteja bem afastado do Buraco Negro, o horizonte parece uma superfície esférica, estática e imóvel. Mas quando nos aproximamos compreendemos que ele tem uma velocidade muito grande. Na verdade, ele está a mover-se para fora à velocidade da luz! Isto explica porque é fácil atravessar o horizonte em direcção ao Buraco Negro, mas impossível sair. Visto que o horizonte se está a mover para fora à velocidade da luz, de maneira a sair do Buraco Negro, teríamos de viajar mais rápido do que a luz (o que não é possível).
(Na figura abaixo podemos ver os vários componentes de um Buraco Negro.)

    Isto pode parecer um bocado estranho, mas não se preocupem: é estranho. O horizonte está de certa forma parado, mas noutro sentido está a afastar-se à velocidade da luz. Podemos ver isto como uma pessoa que corre num tapete rolante para fazer exercício. Ela tem de correr para se manter no mesmo sítio. Imaginem que o tapete se move à velocidade da luz. A pessoa para não ser arrastada pelo tapete, teria de correr à velocidade da luz!!!
    Outro aspecto interessante num Buraco Negro é o seu centro. O centro de um Buraco Negro é uma singularidade. Uma singularidade tem um volume minúsculo, mas uma densidade muito grande. Na singularidade o espaço deixa de existir e os termos passado, presente e futuro deixam de ter sentido. O tempo deixa pura e simplesmente de existir. Como isto vai contra alguns fundamentos da física convencional, começaram a fazer-se desenvolvimentos no campo da física quântica.
    Há uma teoria (John Gribbin em “O Nascimento do Universo”) que diz que o Universo é ele mesmo um enorme Buraco Negro. Porém, é um Buraco Negro com algumas diferenças. O Universo ainda se encontra em expansão, mas um dia quando parar de se expandir e começar a encolher em direcção a uma singularidade, terá o comportamento de um Buraco Negro. Eu não vou dizer que não é no verdadeiro sentido da palavra porque ele faz questão de referir várias vezes no seu livro que o Universo é um Buraco Negro. Proponho-vos a leitura do livro para um melhor entendimento quer dos Buracos Negros, quer do Universo.
    Agora vamos supor que decidimos ir ter com um Buraco Negro. Por exemplo um Buraco Negro com uma massa um milhão de vez superior à do sol. Arranjamos uma nave e metemo-nos em viagem. Quando estamos a uma distância do centro do Buraco Negro de 10 vezes o seu raio, decidimos desligar os motores. Demoraríamos cerca de 8 minutos a chegar ao horizonte do Buraco Negro e assim que passássemos o horizonte, 7 segundos depois chegaríamos ao centro do Buraco Negro. Quando passamos o horizonte, podemos olhar para fora e continuar a ver tudo como dantes, pois a luz continua a alcançar-nos. À medida que nos aproximamos do centro do Buraco Negro (singularidade), as forças gravitacionais ficam cada vez mais intensas. Assim, os nossos pés, que estão mais perto do centro, seriam puxados com mais força do que a nossa cabeça. Passado pouco tempo teríamos sido desfeitos aos bocados. Logo, não é boa ideia ir para dentro de um Buraco Negro.

Vamos agora ver como se forma um Buraco Negro. Para isso temos de considerar a gravidade interna de uma estrela.Enquanto a gravidade empurra a matéria para dentro, a pressão interna faz com que a matéria saia disparada para o Universo. O equilíbrio destas forças faz com que a estrela mantenha o seu tamanho. (Ver figura ao lado)
    Contudo, quando uma estrela fica sem combustível, a gravidade vai ganhar a luta e a estrela pode começar-se a contrair devagar ou entrar em colapso rapidamente, dependendo da sua estrutura interna e composição.
A estrela pode acabar como um Buraco Negro. Depende se o seu colapso é parado por outra força (que não a produzida por gás quente). Há outra forma de pressão que não a do ar quente. Por exemplo, se experimentar pressionar a mão contra a sua secretária, ela não se deforma, consegue suportar o seu peso. A pressão que mantém a secretária rígida é causada pelas forças entre os átomos da secretária. Os electrões dentro dos átomos têm de se evitar uns aos outro (por exemplo, eles não podem estar todos na mesma “órbita atómica” – isto é chamado “principio de exclusão”). Assim, se tivermos uma quantidade de electrões a moverem-se livremente, eles teriam de se evitar uns aos outros. Quanto mais os apertarmos, menor é o espaço para eles se movimentarem livremente, fazendo uma força contrária à que está a ser por nós exercida.
    É este principio de exclusão que pode evitar que a estrela se transforme num Buraco Negro (ficando como uma anã branca). Tomando com o exemplo o sol, quando ele se extinguir e começar a encolher, quando chegar a aproximadamente o diâmetro da Terra, o “principio de exclusão” consegue aguentá-lo. Logo, o nosso sol nunca se transformará num Buraco Negro. É necessário ter pelo menos 3 vezes mais massa que o sol para a força gravitacional conseguir causar o Buraco Negro.
    Na figura abaixo podemos ver as fases por que passa uma estrela até se transformar num Buraco Negro.

    O tamanho de um Buraco Negro, depende muito da estrela que o originou. Os cientistas desconfiam que no centro das galáxias existem Buracos Negros enormes, com uma massa milhões de vezes superior à do sol.
    Outro aspecto importante sobre os Buracos Negros é saber que provas temos de que eles realmente existem. Alguns cientistas descobriram sistemas solares duplos (duas estrelas orbitando-se mutuamente), em que uma delas não se vê. Mas ela tem de lá estar pois exerce força gravitacional sobre a outra para a manter em órbita em relação ao centro de gravidade das duas estrelas.
    Por último vamos tentar perceber como o tempo muda num Buraco Negro. Vamos imaginar que o sujeito A está prestes a entrar no Buraco Negro e o sujeito B está bem afastado do Buraco Negro. Quando o sujeito A olha para o relógio, o relógio continua a funcionar à mesma velocidade que sempre funcionou. Mas se olhar para o sujeito B, o relógio dele parece andara uma maior velocidade. O inverso acontece do ponto de vista do sujeito B. Quando olha para o relógio do sujeito A ele parece estar a andar mais devagar. É por isso que quando o sujeito A, depois de estar algum tempo à entrada do Buraco Negro, se deslocar até ao sujeito B ele envelheceu mais do que ele.
    Vamos agora supor que o sujeito A entrava no buraco. À medida que o sujeito A se ia aproximando do buraco, o sujeito B via o sujeito a mover-se mais devagar. Aliás, B nunca vai ver A a passar o horizonte. A imagem vai ficar suspensa no momento em que A passa o horizonte, infinitamente.

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Conclusão

Os Buracos Negros continuam a ter muitos mistérios por revelar. Mas, não há dúvida quanto à sua existência. Cabe ao homem e à ciência, aprofundar o seu conhecimento para um dia mais tarde saber como tirar partido dos mesmos. Saber se eles existem não basta. Há que tentar compreender a sua existência e tentar explicar os grandes mistérios por revelar do Universo.

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Bibliografia

.Gribbin, John O Nascimento do Universo, Círculo de Leitores, 1997

.Black Spots of the Universe
http://www.uncg.edu/~aavolkov/bh/index.htm

.Black Holes FAQ
http://physics7.berkeley.edu/BHfaq.html

.Black Holes Pictures
http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/lib/black_holes.html

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Última actualização: 30/6/1998