Missão SD-2070-BHMissão SD-2070-BH
Uma viagem à escuridão
Buracos Negros
The Universe’s secret keepers
David Sobral, 2004
• Mission Silence and Darkness,
projectada para o ano 2070
• A mais ousada missão até à data
A MISSÃO
• Uma viagem ao buraco negro RX45356-45
• Situado a 50 anos-luz da Terra
• Uma oportunidade para obtermos um
conhecimento fantástico sobre
alguns enigmas do Universo
• Utilizará o buraco de verme WH-4883, descoberto perto da órbita de Plutão
• SD-2070-BH viaja a altas SD-2070-BH viaja a altas velocidades, mas com um velocidades, mas com um baixobaixo
• Construído tirando proveito Construído tirando proveito da mais recente tecnologia da mais recente tecnologia espacialespacial
• RX45356-45 tem cerca de 7 massas solares e teve origem numa estrela
• Por isso é necessário compreender o que ocorre no interior destas e como se mantêm elas num aparente equilíbrio, tal como responder a diversas questões sobre os buracos negros
O que se passa no interior de uma estrela?
• Existem duas forças responsáveis pelo aparente equilíbrio
• São elas a Gravidade e a Pressão do Calor libertado nas reacções nucleares
O Jogo de Forças
• Enquanto a pressão do calor libertado nas reacções nucleares se opõe à gravidade, a estrela permanece imutável, a grande escala.
Quando a Pressão vence
• Se a pressão do calor conseguir ser superior à gravidade, a estrela explode e aumenta de diâmetro.
Quando a gravidade ganha
• Se a gravidade conseguir ser superior à pressão do calor, a estrela colapsa, podendo dar origem a um buraco negro
• Quanto mais massa tiver uma estrela, menor será o seu tempo de vida
Tipos de Estrelas
Quando o colapso gravitacional ocorre, podem formar-se três tipos de estrelas:
• Anã branca, se o princípio de exclusão de Pauli se aplicar aos electrões (m 1,4 Mo), r Terra – 6400 km
• Estrela de neutrões, se o princípio de exclusão se aplicar a neutrões e protões (m ]1,4 ; 3[ Mo), r = 100 km
• Buraco negro, se possuir uma massa demasiado grande para formar uma estrela de neutrões (m 3 Mo), r 0 km
Mo – massas solares
Anã branca
Estrela de neutrões
Buraco negro
• Vamos agora viajar pelo Mundo dos Buracos Negros e responder a questões como:
• De onde surgiu a ideia de “buracos negros”?
• O que é um buraco negro?
• Como se forma?
The Adventure begins!• De onde surgiu a ideia de “buracos negros”?
• Não são fruto da ciência do século XX
• A ideia de “estrelas negras”, às quais nem a luz pode escapar, remonta a 1793, com o inglês John Mitchell
Albert Einstein, o génio da Teoria da Relatividade
• A ideia permaneceu na escuridão até ao século XX
• Albert Einstein apresentou a Teoria da Relatividade Geral
• Karl Schwarzschild mostrou-se curioso quanto à forma como a gravidade de uma estrela pode afectar a própria luz
O que é um buraco negro?
• Uma forma de uma estrela se “reformar”
• Toda a massa da estrela fica contida numa singularidade
• A distâncias menores do que a do horizonte de acontecimentos, nem a luz pode escapar
• Contudo, nem todas as estrelas acabam como buracos negros
• Só as que ultrapassam o Limite de Chandrasekhar (3 Mo)
• Por isso, o nosso sol não se transformará num
Como se forma um buraco negro?
• O combustível escasseia e a massa da estrela é superior ao limite de Chandrasekhar
• Toda a massa da estrela é contraída, mais e mais, até uma singularidade, de densidade infinita
• As trajectórias dos raios de luz vão sendo curvadas, até que a velocidade de escape se torna superior a c
• Se uma estrela em rotação (i) originar um buraco negro, através da Lei da conservação do momento angular (i x i = f x f), sabemos que, como o seu raio vai diminuir muito, a sua velocidade angular vai aumentar bastante, tal como a bailarina que ao fechar os braços roda mais depressa
Conteúdos importantes
Vamos agora analisar aspectos importantes para o estudo destes mistérios cósmicos
Gravidade
• É proporcional ao produto da massa dos 2 corpos e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre eles
• Em 1915, Einstein mostrou que a gravidade não é uma “força”, mas sim a geometria do espaço-tempo
Fg=G(m1m2)
r2
• Perto de corpos como estrelas, ou planetas, o espaço-tempo está mais curvado
• Qualquer partícula descreve sempre uma trajectória rectilínea no espaço-tempo curvo
• A gravidade propaga-se à velocidade da luz
• A gravidade não depende da densidade
• A presença de massa (ou energia) curva o espaço-tempo
• Quanto mais massa possuir um dado corpo, maior curvatura provocará no espaço-tempo
E=mc2
A gravidade num buraco negro
• Os buracos negros não são “aspiradores cósmicos”
• A sua gravidade é a mesma da estrela que lhe deu origem (se a massa se mantiver constante), à mesma distância do centro
• Um buraco negro apresenta, segundo a relatividade geral, uma curvatura infinita do espaço-tempo
• Contudo, a uma distância x do núcleo de um buraco negro, um corpo y sente a mesma força gravítica que sentia quando o agora buraco negro era uma estrela normal
O Horizonte de acontecimentos
• Fronteira imaginária
• Distância entre o núcleo do buraco negro e os locais em que a velocidade de escape é superior à da luz
• Fronteira negra para lá da qual é impossível voltar, porque nada se move mais rápido do que a luz
• É tanto maior quanto maior for a massa do buraco negro
• É considerado a sua medida de entropia
Desvio gravitacional da luz
• A luz é composta por partículas, fotões, para além de ser descrita por uma função de onda, e viaja à velocidade c
• A gravidade também a afecta, curvando a sua trajectória
• Este efeito foi previsto por Einstein, em 1915, na sua teoria da relatividade geral e comprovado através de vários eclipses solares
• Assim, torna-se uma forma de podermos detectar um buraco negro no espaço
Efeitos de Maré
• Responsáveis: forças de maré
• Essas são definidas como as diferenças entre as atracções gravíticas que zonas diferentes de um mesmo objecto sentem
•
• Os efeitos de maré são responsáveis pelas marés na Terra
• A gravidade é mais forte nos extremos em que se verifica maré alta, porque são as zonas que estão mais próximas dos corpos que exercem gravidade
• A própria Terra é distorcida por este fenómeno
• Num buraco negro, estes efeitos teriam graves consequências, caso nos aproximássemos demasiado do horizonte de acontecimentos
• A diferença da gravidade sentida numa ponta do corpo e na outra distorcia-nos e ficávamos como esparguete!
Ondas gravitacionais
• Geradas pela oscilação de objectos maciços
• Muito difíceis de detectar
• São perturbações que percorrem o espaço-tempo
• Previstas pela relatividade geral
• Propagam-se como as ondas que um objecto provoca ao cair num tanque
• Podem provocar uma distensão na estrutura dos objectos
• A ondas gravitacionais diminuem com a distância à fonte, a uma taxa um pouco inferior à da gravidade
• Num buraco negro em rotação, devido ao seu risco, não se aconselha que se chegue muito perto!
Disco de Acreção
• É constituído por matéria e/ou radiação, que roda em torno do buraco negro
• Buracos negros em sistemas binários possuem um maior disco de acreção
• Buracos negros super-maciços, como aqueles que se pensam existir no centro das galáxias, têm discos de acreção gigantes
• Neste caso, o disco de acreção é formado pela matéria que o buraco negro, através da força de maré, “rouba” à estrela companheira e que vai “mergulhando” em direcção ao seu interior
Quanto mede o raio de um buraco negro?
• Devido ao contributo de Shwarzschild, podemos determinar o raio de qualquer buraco negro não-rotativo, desde que saibamos a sua massa.
• R = 2 GM
• R é o raio do buraco negro• G a constante universal de gravidade,
(6,67 x 10-11 N.m2/Kg2)• c é a velocidade da luz (3 x 108 m/s)• M é a massa do buraco negro
c2
O que se pode medir num buraco negro?
• Quando um buraco negro se forma, todas as características dos materiais deixam de ter importância
• Na verdade, apenas 3 grandezas servem para estudar um buraco negro:
• Massa• Momento angular• Carga eléctrica
Tipos de buracos negros
• Existem basicamente 3 tipos de buracos negros, quanto à sua “anatomia”, e 3 quanto à origem
Buracos negros sem rotação e sem carga eléctrica
• Foram estudados pelo canadiano Werner Israel, em 1967
• Os mais simples
• Perfeitamente esféricos, mesmo que tenham origem em estrelas que o não sejam
• São descritos por uma solução das equações de Einstein conhecida desde 1917, por Schwarzschild
• Tamanho depende apenas da massa
Buracos negros de Reissner-Nordstrom (sem rotação)
• Forma esférica• Sem rotação• Com carga eléctrica• Responsáveis: Hans Reissner e Grennar
Nordstrom, físicos alemão e holandês
Buracos negros com rotação ou de Kerr
• Estudados, em 1963, pelo neozelandês Roy Kerr
• Rodam a velocidade constante
• Tamanho e forma dependem apenas da massa e da velocidade de rotação
Roy Kerr
• Quando a velocidade é nula são iguais aos estudados por Israel
• Qualquer corpo em rotação que entre em colapso gravitacional e se torne num buraco negro, acabará por se tornar num descrito pela solução de Kerr
Buracos negros no centro de galáxias
• Não consistem em singularidades
• Muitas vezes menos densos do que a água
• Contudo, pela grande quantidade de matéria, exercem uma enorme atracção gravitacional e forma-se um horizonte de acontecimentos
• Crê-se na existência de um, com cerca de 100000 vezes a massa do sol, no centro da nossa galáxia
• Buracos negros com 1000 milhões Mo ocorrem no centro dos quasares
Buracos negros primevos
• Sugeridos por Stephen Hawking
• De massa reduzida, abaixo do limite de Chandrasekhar
• Contudo, até hoje, nenhum foi detectado
• Por serem formados a partir da compressão da matéria por pressões exteriores são importantes para:
• Estudo do Universo e das suas condições iniciais
• Fontes energéticas para uma sociedade do futuro
Mecanismo de formação de um buraco negro primevo ou
primordial
Buracos negros realizados na Terra?
• Utilizando a energia de uma bomba de hidrogénio, poderia criar-se um buraco negro
• O problema é que não ficaríamos cá para assistir!
Buracos negros e entropia
• O horizonte de acontecimentos é a medida de entropia do buraco negro
• Aumenta sempre que é absorvida matéria
• Quando há uma colisão, o horizonte de acontecimentos é maior ou igual à soma da área dos dois
Os buracos negros não são tão negros!
• Devido ao facto dos buracos negros terem entropia, Hawking teve que admitir que também tinham temperatura
• Logo, emitem radiação!
Mas nada pode sair de dentro de um buraco negro! Como
pode ele “radiar”?! ?
• Um buraco negro pode emitir partículas, segundo a teoria quântica, porque essas não vêm do seu interior, mas das proximidades do horizonte de acontecimentos
• Partículas virtuais tornam-se reais, retirando energia ao buraco negro e reduzindo-lhe o horizonte de acontecimentos
• Assim, quanto menos massa têm, mais radiação emitem e mais quentes são
• Quando diminui o horizonte de acontecimentos, a radiação emitida compensa a diminuição da entropia no interior do buraco negro
Evaporação de buracos negros
• A emissão de radiação e a “fuga” de partículas reduzem a massa de um buraco primevo a muito pouco, ao fim de milhões de anos
• A sua temperatura aumenta extraordinariamente
• Explode, libertando energia equivalente a milhões de bombas de hidrogénio
Como detectar um buraco negro?
• Gravidade que exerce• Desvio da luz
• Emissões de raios X (sistemas binários, em que apenas se observa uma das estrelas – ex. Cygnus X-1 – são fontes intensas de raios X)
• Temperatura
Os buracos negros existem!
• O últimos anos confirmaram a existência de buracos negros:
• No centro de dezenas de galáxias
• Em sistemas binários, como Cygnus X-1
• E existem ainda muitos candidatos a buracos negros
O tempo e a gravidade
• A gravidade curva o espaço tempo
• Faz com que o tempo passe mais lentamente
• Na Terra o tempo passa mais lentamente do que no espaço
• No interior de um buraco negro, a curvatura do espaço-tempo é infinita, e o tempo “pára”
• Se fosse possível estarmos no seu interior, e olharmos o exterior, talvez víssemos todo o Universo a acabar em poucos segundos, já que um segundo para nós, equivaleria a milhões de anos lá fora
Engenharia de buracos negros?
• Uma civilização muito avançada pode utilizar um buraco negro como reciclador de lixo e fonte de energia!
• O lixo é deitado para o buraco negro por naves quando atingem um determinado “ponto de ejecção”
• O lixo cai, aumentando a massa/energia do buraco negro e a nave extrai energia ao mesmo, que é utilizada numa central e produz electricidade
• Conversão da massa de repouso do lixo e parte da massa do buraco negro em energia eléctrica, numa civilização avançada
Nomes importantes
Roger Penrose
Stephen HawkingRoy Kerr
John A. Wheeler
Entrar?
SD-2070-BH chega finalmente ao seu destino, o buraco negro RX45356-45!
FIM
Bibliografia
• BARROW, John, (2001), A Origem do Universo, Lisboa: Rocco• CHOWN, Marcus (2003), The Universe Next Door, Great Britain: Review.• EINSTEIN, Albert (2003), O Significado da Relatividade, Lisboa: Gradiva.• FERGUSON, Kitty (2000), Prisões de Luz: Os buracos negros, Lisboa: Bizâncio• HAWKING, Stephen (2004), Breve história do tempo, Lisboa: Gradiva• KAUFMANN III e FREEDMAN (2002), UNIVERSE, W. New York: FREEMAN• MAGUEIJO, João (2003), Mais Rápido que a Luz, Lisboa: Gradiva.
• Internet:
• http://www.gothosenterprises.com/black_holes/• http://www.thinkquest.org/library/site_sum.html?tname=10148&url=10148/long7.shtml• http://www.rdrop.com/users/green/school/primordi.gif• http://scienceworld.wolfram.com/biography/pics/KerrRoy.jpg• http://www.star.le.ac.uk/~sav2/blackholes/introduction.html• http://www.thirteen.org/edonline/lessons/pics/hawkings.gif• http://webstory.netfirms.com/story/blackholefactsheet/r-n-bk.jpg• http://www.astronomical.org/astbook/images/fig2.gif• http://casa.colorado.edu/~ajsh/bh00.gif• http://geology.csupomona.edu/drjessey/class/Gsc101/tide2.gif• http://www.etsu.edu/physics/plntrm/relat/astrobh.htm• http://www.astro.utoronto.ca/~mudryk/professional/presentation2/images/800x600/presentation2.gif• http://www.innerx.net/personal/tsmith/BlackHole.html• http://www.innerx.net/personal/tsmith/angmomemag.html