Buracos negros

A Busca por Buracos Negros Dra. Lucimara Martins Campus Party, Janeiro de 2012

O que são Buracos Negros? Resolution is not
Regiões do espaço-tempo das quais nada (nem mesmo a luz) conseguem escapar.
São chamados de “negros” porque absorvem toda luz que atinge seu horizonte.
Isso acontece porque a concentração de massa nesses objetos é tão grande que nada consegue escapar da sua atração gravitacional.

O que são Buracos Negros?

O que são Buracos Negros? Velocidade de Escape : Velocidade com a qual você deve jogar a pedra para que ela escape do campo gravitacional da Terra.

O que são Buracos Negros? Resolution is not Velocidade de Escape:
Depende da massa do planeta – se o planeta é muito massivo, sua gravidade é muito forte e a velocidade de escape deve ser alta.
Depende da distância ao centro do planeta – quanto mais perto você estiver do centro, maior será a velocidade de escape.

O que são Buracos Negros? Resolution is not Velocidade de Escape: A velocidade de escape da Terra é 11.2 km/s (40320 km/h) A da Lua é 2.4 km/s (8640 km/h)

O que são Buracos Negros? Resolution is not Agora imagine:
Um objeto com uma grande concentração de massa em um raio tão pequeno que a velocidade de escape seja maior que a velocidade da luz.

Como nada pode viajar mais rápido que a luz, nada escapa do campo gravitacional deste objeto.
Mesmo um raio de luz seria puxado de volta pela gravidade, e seria incapaz de escapar.

Pode-se passar através do horizonte de eventos, mas não se pode voltar.
Horizonte de Eventos Resolution is not
C aracterística que define um BN: horizonte de eventos - superfície esférica que marca a fronteira do BN.
Região onde a velocidade de escape é igual a velocidade da luz.

Horizonte de Eventos
Fora desta região:
velocidade de escape < velocidade da luz
Se você estiver dentro do horizonte de eventos, não importa quão potente é seu foguete, não será possível escapar.

Singularidade Resolution is not
No centro de um buraco negro: singularidade gravitacional – uma região onde a curvatura do espaço-tempo se torna infinita.
Essa região singular tem volume zero e contém toda a massa do buraco negro – densidade infinita.

Um pouco de história... Resolution is not
Objetos cujo campo gravitacional é tão intenso que nem mesmo a luz pode escapar: considerados pela primeira vez no século XVIII por John Michell e Pierre-Simon Laplace.
“ Estrelas escuras”: ignoradas até o século XIX - não se entendia como uma onda sem massa como a luz poderia ser influenciada pela gravidade.

Essa solução tinha um comportamento peculiar: no chamado raio de Schwarzschild ela se tornava singular, ou seja, alguns termos das equações de Einstein se tornavam infinitos.
Primeira solução da relatividade geral que caracterizaria um buraco negro - Karl Schwarzschild em 1916.

A natureza dessa superfície não era bem entendida na época.
A interpretação como uma região do espaço da qual nada consegue escapar não foi muito apreciada por pelo menos 4 décadas.

Considerados uma curiosidade matemática.
Anos 60: trabalhos teóricos mostraram que buracos negros eram uma previsão genérica da relatividade geral.
A era de ouro da relatividade geral – anos 60.
Em 1967 – descoberta dos pulsares Em 1969 – pulsares são estrelas de nêutrons rodando rapidamente.

Até esse ponto, as estrelas de nêutrons também eram consideradas apenas curiosidades teóricas.
A descoberta das estrelas de nêutrons aumentaram o interesse por objetos compactos gravitacionalmente colapsados como uma realidade astrofísica.

O bjetos realmente bizarros.
O próprio Einstein erroneamente acreditava que buracos negros não se formariam, porque ele acreditava que o momento angular das partículas em colapso estabilizariam o colapso em algum raio.

Levou a comunidade que trabalhava em relatividade geral a dispensar todos os resultados contrários a essa idéia por muitos anos.
No entanto, uma minoria dos relativistas continuou a afirmar que buracos negros eram objetos físicos.
Final dos anos 60 persuadiram a maioria dos pesquisadores da área que não haveria nenhum impecílio na formação de um horizonte de eventos.

Uma vez que o horizonte de eventos se forma, Roger Penrose provou que uma singularidade deve se formar dentro ele em algum lugar.
Pouco tempo depois, Stephen Hawking mostrou que muitas soluções cosmológicas descrevendo o Big Bang possuíam singularidades.

Qual o tamanho de um BN? Resolution is not
Duas formas de descrever quão grande alguma coisa é: quanta massa ela tem
ou quanto espaço ela ocupa.
Massa: não há limite inferior ou superior. Qualquer quantidade de massa, pode, em princípio, se transformar em um buraco negro se você comprimí-la o suficiente.

Acredita-se que a maior parte dos BNs existentes foram produzidos na morte de estrelas massivas - devem possuir de 3 a 10 vezes a massa solar.
Existem também BNs supermassivos – 1 bilhão de massas solares.

Quanto mais massivo um buraco negro, maior o espaço que ele ocupa.
O raio de Schwarzschild é diretamente proporcional a massa.

Um buraco negro com a massa do Sol - horizonte de eventos de raio = 3 km.
Um buraco negro com 3 milhões de vezes a massa solar - raio de 3 milhões de km.
O raio de Schwarzschild para a Terra - menos de 1 cm!
Qual o tamanho de um BN?

Viagem para dentro de um BN
Viagem imaginária para dentro de um buraco negro – as aventuras de um astronauta maluco que decide mergulhar em um buraco negro.
Você e seu amigo iniciam a viagem orbitando a algumas unidades astronômicas de um buraco negro de 10 massas solares.
Nada esquisito acontece. Ele orbita o buraco negro de acordo com as leis de Kepler, como faria com qualquer outra concentração de massa.

Viagem para dentro de um BN Resolution is not
Seu amigo decide entrar. Ele leva um laser e um relógio eletrônico.
Vocês sincronizam seus relógios e combinam que ele te enviará um sinal de laser a cada segundo.
Durante um longo período de tempo, enquanto ele vai na direção do BN, nada estranho acontece.

Porém, conforme ele vai chegando mais perto, forças de maré gravitacionais fortíssimas começam a esticá-lo (Essa força também existe na Terra!)
Essas forças em um buraco negro seriam tão fortes que um humano normal seria rasgado a 3000 km de distância de um buraco negro de 10 massas solares.
Mas suponha que seu amigo seja indestrutível.

Conforme ele vai se aproximando do buraco negro, as forças de maré vão ficando muito fortes, muito rapidamente.
Mas, para ele, não há nada mais estranho. A cada segundo ele te envia um sinal de laser.
Olhando na direção do buraco negro ele apenas consegue ver uma pequena região escura no céu (o raio de Scharwzschild é de apenas 30 km).

Então ele atravessa o raio de Scharwzschild – mas nada acontece a ele!
Nenhum sinal marca a fronteira do buraco negro.
Porém, nada pode puxá-lo de volta agora – ele acabou de cruzar um portal só de ida no espaço-tempo.

A viagem agora termina rapidamente para seu amigo desafortunado.
Em aproximadamente 0,00001s (de acordo com o relógio dele) depois de cruzar o raio de Schwarzschild, ele é esmagado na singularidade.
Esmagado em um volume zero, ele desaparece.

? Viagem para dentro de um BN Resolution is not
Mas o que você vê da aventura do seu amigo?
Você nunca vê o fim da jornada – você nunca o vê cair no buraco negro.

Conforme ele se aproxima do buraco negro você percebe que a luz do laser sofre um “redshift” - a luz tem que lutar contra a gravidade para chegar em você, e dessa forma perde energia e seu comprimento de onda aumenta.
Você também percebe que o tempo entre os sinais aumenta.

O que aconteceu? Comparado com o seu relógio, o relógio do seu amigo parece cada vez mais lento conforme ele viaja para regiões onde a gravidade é mais forte.
Dessa forma o relógio de vocês discordam sobre quanto tempo ele leva para atingir o buraco negro.

Conforme ele se aproxima do raio de Schwarzschild, o relógios parecem mais e mais fora de sincronia.
O tempo entre os recebimentos de sinais vai aumentando.

O sinal enviado por ele assim que ele cruza o raio de Schwarzschild leva um tempo infinito para te atingir.
Esse sinal também sofre um redshift infinito.

Para você a queda de seu amigo pareceria ficar cada vez mais lenta, mas ele nunca pareceria cair nele.
Suas medidas mostrariam o tempo ficando tão lento perto do buraco negro que pareceria congelado.

Além disso a luz pareceria cada vez mais “redshiftada” até que você não a detectasse mais.
O buraco negro não permite que você veja o que aconteceu com seu amigo – você nunca saberá o que aconteceu com ele depois que ele entrou.

Cuidado! Buracos negros não são aspiradores espaciais!
Eles não têm potencial gravitacional infinito que suga tudo que está próximo deles!
Longe do raio de Schwarzschild o buraco negro se comporta como uma concentração de massa qualquer!

Como se formam os BNs? Resolution is not
Estrelas nascem, evoluem e morrem.
Uma estrela “nasce” quando a fusão de hidrogênio se inicia em seu interior.

Conforme o combustível vai acabando em seu interior, a estrela evolui.
Quando o combustível para fusão finalmente acaba no seu interior, elas entram na “terceira idade”.

Estrelas de mais baixa massa terminarão suas vidas como anãs brancas, e depois anãs negras.
Sirius B:
Massa = 1.05 massa do Sol Raio = 0,75 raio da Terra Densidade média = 3000 kg /cm 3 .
Na “terceira idade” as estrelas começam a se contrair, já que na pressão de radiação, que segurava a pressão gravitacional, deixa de existir.

Raios de dezenas de km. Massa ~ 3 vezes a massa do Sol Períodos de 0,001 a 4 s Densidade = 10 bilhões de kg / cm³ Como se formam os BNs? Resolution is not
Estrelas de alta massa explodem como supernovas, e seu remanescente é uma estrela de nêutrons – pulsares.

Dependendo da massa dessa estrela remanescente, ela ainda continua contraindo (se a massa for maior que 3x a massa do Sol)
Nessas estrelas a força gravitacional vence qualquer outra força na direção oposta, mesmo a força repulsiva entre duas partículas de mesma carga, ou a pressão de degenerescência.
Formação do buraco negro estelar.

Resolution is not
BNs de massa estelar devem se formar quando estrelas muito massivas colapsam no fim de seu ciclo de vida.
Depois que um BN se forma, ele continua a crescer absorvendo massa de suas redondezas.
Como se formam os BNs?

Resolution is not
Ao absorver outras estrelas e se fundir com outros BNs, BNs supermassivos se formam.
Hoje em dia: certo consenso de que BNs supermassivos existem no centro de muitas galáxias.
Há evidências de um BN de ~4 milhões de massas solares no centro da nossa galáxi a.
Como se formam os BNs?

Como observar BNs? Resolution is not
Detectar BNs isolados é muito difícil – nem mesmo a luz consegue escapar, além de ser um objeto extremamente pequeno.
A única forma de detectar BNs é através de sua interação com a matéria.

Quando a matéria cai em direção ao BN, ela é acelerada e ganha energia, que a aquece.
Se aquecida o suficiente, os átomos são ionizados.
A gravidade acelera os átomos ionizados, que assim emitem radiação eletromagnética.
Quando aquecida a alguns milhões de graus kelvin, a matéria emite raios-X.

O que estamos procurando?
Imagine um BN orbitando uma estrela supergigante.

Se eles estiverem bastante próximos, o período orbital será de alguns dias.
Como a estrela é supergigante, sua atmosfera é bastante extensa, e material desta pode cair no BN.

Como o material deve cair esporadicamente, esperamos ver a emissão de raios-X variando rapidamente.
Se o plano da órbita estiver na nossa linha de visada, quando o buraco negro estiver atrás da estrela, não veremos essa emissão.

SIM! Como observar BNs? Resolution is not
Resumindo: procuramos por fontes de raios-X que variam rapidamente e que desaparecem em intervalos de tempo regulares.
Essas fontes existem?

Estima-se que tenha uma massa de 8.7 vezes a massa solar, e muito compacto para ser qualquer tipo conhecido de estrela normal – mais provável que seja um buraco negro. Raio do horizonte de eventos ~ 26 km. Como observar BNs? Resolution is not
Cygnus X-1: fonte de raios-X galática bem conhecida na constelação Cygnus.
Descoberta em 1964 – uma das fontes de raios-X mais fortes vistas da Terra.

Pertence a um sistema de raio-X binário de alta massa que inclue uma estrela supergigante azul variável chamada HDE 226868
Está a aproximadamente 6100 anos luz do Sol

A estrela progenitora deveria ter aproximadamente 40 massas solares, e deve ter colapsado diretamente em um buraco negro – se tivesse havido uma supernova, não haveria mais nada a sua volta.
Órbita de 0.2 UA.

Hawking perdeu a aposta – admitiu isso em 1990, quando mais dados observacionais reforçaram o fato de Cygnus X1 ser realmente um buraco negro.
(a aposta era a assinatura da revista Penthouse para Thorne contra quatro anos da assiantura de Private Eye para Hawking). Como observar BNs? Resolution is not
Alvo de uma aposta amigável entre Stephen Hawking e Kip Thorne em 1974: Hawking apostou que o sistema não possuia um buraco negro.

Quasares e Galáxias Ativas Resolution is not
Durante o boom da radioastronomia nos anos 50, os radioastrônomos começaram a fazer catálogos das fontes de rádio, identificando-as com objetos conhecidos no óptico.
A maior parte desses objetos eram galáxias, mas existiam algumas fontes com aparência estelar.

A primeira fonte rádio identificada como uma fonte óptica estelar foi 3C 48 – estrela de magnitude 16.
Mas seu espectro era muito confuso – assinaturas espectroscópicas em comprimentos de onda desconhecidos!

Eles também eram estranhamente muito mais azuis que uma estrela normal.
Maarten Schimidt, em 1963, finalmente resolveu o quebra-cabeças.

Ele percebeu que as assinaturas não eram reconhecidas porque elas estavam 36.7% desviadas para o vermelho!
Como o redshift está associado a expansão do universo, isso significava que a luz desses objetos deveria vir de distâncias tão grandes que se originaram a bilhões de anos atrás.

Como não se entendia a natureza física desses objetos, eles ficaram conhecidos como fontes “quase-estelares” - quasares
A importância desses objetos logo foi reconhecida. Como estavam tão distantes, sua luminosidade deveria ser muito alta – são os objetos mais luminosos, poderosos e energéticos do universo.
Processos físicos extremos deveriam estar ocorrendo ali.

Muitos cientistas não acreditavam que esses objetos poderiam estar tão distantes porque nada, nem fusão nuclear, poderia gerar essa energia calculada para eles.
Sugestão que BNs supermassivos deveriam estar envolvidos veio logo: Zel'dovich e Novikov em 1964.
Em 1970: modelos computacionais da produção de energia gerada por um disco de acresção em torno de um BN

Quasares são os tipos mais luminosos dessas galáxias, mas existem outros como Seyferts e Blazares.
Galáxias que possuem alta produção de energia em seu centro são hoje chamadas de Galáxias Ativas.
Algumas vezes a energia do núcleo pode exceder a energia da galáxia inteira.

Hoje, o modelo mais aceito para a radiação que vem das galáxias ativas é um disco de acresção em torno de um buraco negro.
O disco emite radiação no óptico, UV e raios-X.

Não se sabe exatamente o mecanismo de produção desses jatos, mas todos os modelos contém um (ou mais) buraco negro.
Alguns desses discos produzem jatos – que são visíveis apenas em comprimentos de onda de rádio.

BNs nas Galáxias Resolution is not
Hoje em dia, a maior parte dos astrônomos acredita que todas as galáxias possuem um BN supermassivo em seu centro – ativo ou não.
Uma das maiores descobertas neste sentido foi Sagittarius A* – o BN supermassivo no centro da nossa galáxia!
Não era possível observar o centro da galáxia no óptico - grande quantidade de matéria entre nós e o centro da galáxia.

Animação em 2.2 micron.
Imagens de 1995 a 2011.
Com uma aplicação simples das leis de Kepler – Melhor evidência até hoje da existência de um Buraco Negro Supermassivo – 4 milhões de massas solares.
Buracos Negros nas Galáxias Resolution is not

Obrigada!

Buracos negros

by Campus Party Brasil on Feb 11, 2012

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