O buraco negro da Galáxia M87: Os 30 pixels que encantaram o mundo - Parte 1

Levou anos e custou uma fortuna, felizmente o Event Horizon Telescope, um projeto multinacional com patrocinadores do mundo todo (você não, Brasil) tinha os dois, e conseguiram o impossível: Produzir a primeira (radio)imagem direta de um buraco negro.

Mais importante do que a imagem em si é a pesquisa ser mais uma comprovação da existência desse fenômeno cósmico. algo tão inconcebível que por décadas não foi mais que uma curiosidade matemática, um exagero teórico, mas buracos negros existem, e são a grande vingança, a vitória final da mais humilde, da mais fraca e insignificante das Forças Fundamentais do Universo, a Gravidade.

1 - Forças Fundamentais

O Universo, segundo nosso modelo-padrão da Física é mantido por quatro forças fundamentais: O Amor, A esperança-nah, zoeira. São a Força Nuclear Forte, a Força Nuclear Fraca, a Força Eletromagnética e a Gravidade.

A Força Nuclear Forte é o que mantém os núcleos atômicos unidos, ela é necessária para sobrepujar a repulsão eletrostática, do contrário dois prótons jamais conseguiriam existir juntos. Ela é extremamente forte, mas só existe em uma distância muito pequena, 10^-15 metros, pouco além do diâmetro do núcleo de um átomo.

A Força Nuclear Fraca, ou Interação Eletrofraca é mais limitada ainda, seu alcance não vai além do diâmetro de um Próton, ou 10^-18 metros. Ela interage apenas entre partículas próximas, é responsável pelo decaimento radioativo das partículas, transportando massa, spin e carga elétrica entre elas.

A Força Eletromagnética é literalmente responsável por tudo que a gente vê. Existe na forma de luz, ondas de rádio, campos magnéticos e na maçaneta carregada de eletricidade estática que você sempre espera um trouxa abrir antes de entrar no escritório. Ao contrário das outras, seu alcance é infinito, com sua intensidade diminuindo em relação ao quadrado da distância.

A Gravidade é a mais complicada. Dependendo do modelo ela age como uma força real ou uma pseudoforça, se usarmos o modelo de distorção da estrutura do espaço-tempo. Ela alcança o infinito, mas é muito, muito fraca.

Se a Força da Gravidade tiver um valor arbitrário de 1, a Força Nuclear Fraca teria intensidade equivalente a 10²⁵, ou:

10000000000000000000000000 vezes mais forte.

A Força Eletromagnética é mais forte ainda, com intensidade relativa de 10³⁶, ou:

1000000000000000000000000000000000000 vezes mais forte.

A Força Nuclear Forte atinge 10³⁸, ou

100000000000000000000000000000000000000 vezes mais forte.

Vamos a um exemplo prático: Pegue sua caneca de café e levante, 10cm acima da mesa. Segure por um momento.

Ao fazer isso você está exercendo na caneca a mesma força que a Terra, com 5972000000000000000000  toneladas de massa. Com pouquíssima energia conseguimos gerar campos magnéticos muito mais fortes do que a gravidade:

A grande diferença é que a gravidade é cumulativa. Quanto mais massa, mais gravidade e isso não tem limite. Com pouca massa você forma objetos como Ultima Thule, o asteróide em forma de panqueca visitado pela New Horizons, além de Plutã0.

A medida que você vai acrescentando massa, a gravidade aumenta e depois de determinado ponto a força gravitacional é mais forte do que o atrito e as forças eletrostáticas mantendo a matéria unida, e esta é atraída para o centro do objeto. Como a intensidade é a mesma para todas as direções, o objeto se torna esférico. Nesse momento ele deixa de ser um asteróide e vira um planeta anão, ou uma lua, se estiver orbitando um planeta maior.

Ceres é um planeta anão com 946 km de diâmetro, o suficiente para ficar... esférico.

Esse aliás é um dos motivos básicos para Terraplanismo não fazer sentido, o básico do que entendemos da Gravidade teria que estar errado, para algo com a massa da Terra ser plano.

Se continuarmos a adicionar massa, um fenômeno começa a aparecer, e ele é bem conhecido, você já deve ter experimentado, usando algo parecido com isto:

Quem usou uma bomba de... bicicleta, isso, de bicicleta ou de bola de futebol sabe que ela fica quente. Gases comprimidos aumentam de temperatura, mas essa característica é comum a todo tipo de matéria, quando você dobra um vergalhão, se achando o Super-Homem até perceber que não é tão difícil assim percebe que ele fica quente na dobra. Isso funciona até com clipes de papel.

Agora imagine isso em escala planetária. Júpiter tem um núcleo de Hidrogênio metálico comprimido por uma pressão gravitacional imensa, que o aquece a uma temperatura de 24000 graus Celsius, mas isso é só o começo. Na falta de um Monolito, Júpiter precisaria ganhar 10 vezes a sua massa, e aí algo maravilhoso aconteceria.

Comprimido pela gravidade, o Hidrogênio atingiria temperatura de milhões de graus, com uma pressão de 250 bilhões de atmosferas, nessas condições seria desencadeada uma reação de fusão nuclear, onde átomos de Hidrogênio se combinariam em átomos de Hélio e energia. A luz e calor contrabalanceariam a pressão gravitacional, e muito mais matéria poderia ser adicionada sem que o objeto, agora uma estrela, colapsasse.

Quando uma estrela de massa entre 0.3 e 8 vezes a do Sol esgota seu suprimento de Hidrogênio a fusão no núcleo cessa, ele esfria e se condensa, as camadas externas se tornam uma concha, mas com a pressão da contração gravitacional sem a fusão para contrabalançar, a estrela volta a entrar em ignição, com o Hidrogênio das camadas exteriores servindo como combustível. Ela se expande, mas como é mais fria, sua luz é concentrada na parte vemelha do espectro, são as gigantes vermelhas.

Quando a fusão se esgota mais uma vez, caso a estrela tenha massa suficiente pode começar a fundir Hélio e até Carbono, mas na maioria das vezes ela não consegue atingir as temperaturas exigidas, e sua atmosfera, as camadas exteriores, é lançada ao espaço, como Mira A:

O que sobra é um núcleo de matéria degenerada de elétrons, um tipo de matéria comprimida pela gravidade onde um núcleo de prótons e nêutrons flutua em um mar de elétrons. Essa estrela é uma anã branca, e brilha não pela energia da fusão nuclear, que não existe mais, mas pelo calor acumulado durante a vida da estrela.

Uma anã branca pode ser muito pequena, do tamanho da Terra, mas sua matéria é incrivelmente densa, 1000000000 kg por m³, com temperatura de até 100 mil graus Celsius.

Nas estrelas de massa muito grande, entre 10 e 29 massas solares, o colapso inicial inicia uma reação extremamente violenta, queimando todo o combustível de uma vez, produzindo uma explosão mais intensa do que toda a luz da galáxia somada, é a chamada Supernova.

Depois da explosão o núcleo de uma supernova pode ter massa demais, e a força eletromagnética não é suficiente para manter a estrutura, ela ultrapassa o nível de matéria degenerada de elétrons.

Tudo é tão comprimido pela gravidade que os elétrons e prótons são fundidos, formando nêutrons.

Essa estrela de nêutrons pode ter 2 vezes a massa da Terra, mas apenas 10Km de diâmetro. Uma caixa de fósforos cheia de material de uma estrela de nêutrons pesaria 3 bilhões de toneladas, ora os fósforos.

A única coisa segurando essa estrela é a Força Nuclear Forte, mas mesmo ela tem limite, que se chama Limite de Tolman–Oppenheimer–Volkoff. Se o núcleo estelar tiver massa mais de 2.27 vezes a massa do Sol, nada consegue segurar o colapso.

Essa estrela irá se contrair, ultrapassando todos os limites, até atingir um ponto onde seu volume será zero, e sua densidade, infinita. É a chamada Singularidade, e uma enorme pedra no sapato dos astrofísicos, pois a nossa Ciência pára de funcionar lá dentro.

Nós não fazemos idéia do que acontece dentro de uma singularidade, o Universo nos impede de espionar pelo buraco da fechadura.

Note: Existe um conceito teórico onde isso seria possível, são chamadas de Singularidades Nuas, mas melhor não falar sobre elas, o Mobilon não gosta quando eu provoco o bot do AdSense...

As singularidades têm sua virtude protegida não só pelo Mobilon, mas pelo Horizonte de Eventos, que é apenas um ponto onde a velocidade de escape ultrapassa a velocidade da luz.

A melhor analogia para entender o conceito de velocidade de escape e poço gravitacional é... um poço. Ou mais precisamente um vale.

Digamos que você esteja em um rally off-road, em uma região bem selvagem, distante da civilização, tipo Niterói. Seu carro está em uma região rebaixada, para voltar pra trilha você tem que subir uma ladeira gentil, de uns 5 graus.

Não é complicado, você usa só uma fração da potência do carro.

Agora imagine uma ladeira muito mais íngreme, onde você terá que usar toda a potência do carro.

Nas duas situações você está lutando contra a gravidade, e as ladeiras com angulações diferentes podem ser vistas como um corte bidimensional de um poço gravitacional tridimensional:

A velocidade de escape é apenas a velocidade mínima que um corpo precisa atingir para escapar do poço gravitacional. Imagine o carro pegando embalo para sair da depressão.

Na Terra a velocidade de escape é de 11.2Km/s mas somente sondas planetárias atingem essa velocidade. As naves do Programa Apollo por exemplo viajaram a 10.4km/s, suficiente para escapar do poço gravitacional e chegar na Lua, não fazia sentido ir além disso e correr o risco de se perder no Sistema Solar caso algo desse errado.

Quanto mais distante, ou alto no poço gravitacional melhor a velocidade de escape. Da posição da Terra qualquer coisa lançada a mais de 42.1Km/s escapará do Sistema Solar, já da superfície do Sol você só conseguirá escapar da influência gravitacional se se mover a mais de 617.5Km/s.

Quanto mais você se aproxima de um objeto, maior a velocidade de escape, mas objetos normais possuem limites razoáveis. Já um buraco negro, a gravidade é tão intensa que em determinado ponto é impossível escapar, pois a velocidade de escape é maior do que a da luz.

Não quer dizer que você vai ser sugado, buracos negros não sugam ninguém, atraem gravitacionalmente do mesmo jeito que qualquer estrela, ou cliente do Al Bundy. Um buraco negro com a massa do Sol colocado no centro do Sistema Solar no lugar da nossa estrela manteria tudo equilibrado do mesmo jeito que está hoje, só um tiquinho mais frio.

O problema é que mesmo que você orbitasse uma singularidade dentro do horizonte de eventos, jamais conseguirá se comunicar com alguém do lado de fora (sorry, Interestelar). Nenhum sinal de rádio conseguirá sair, o horizonte de eventos é completamente negro.

Além do horizonte de eventos temos a Fotosfera, uma região com espessura zero formada por fótons capturados, é um ponto onde a velocidade de escape é exatamente a velocidade da luz, então os fótons orbitam o buraco negro, até serem perturbados por outros fótons, que ou os empurram para dentro ou os jogam pra fora.

Também há o disco de acreção, região em torno do buraco negro que acumula matéria que porventura seja capturada no poço gravitacional dele.

A Física como a conhecemos sofre nas proximidades de um buraco negro. Gravidade nessa intensidade causa todo tipo de efeito, que tecnicamente existem mesmo aqui. Fique de pé. Ótimo. Neste momento seus pés estão sendo atraídos pela Terra com uma intensidade um pentelhonésimo de micronada mais forte do que a força atraindo sua cabeça. Nada que seu corpo não dê conta, mas em um buraco negro se chegar perto demais a diferença entre as forças será imensa, e seu corpo será esticado e destroçado, em um processo que Neil DeGrasse Tyson adora lembrar se que chama "espaguetificação".

Ao mesmo tempo talvez cair em um buraco negro não seja tão ruim. A gravidade distorce o Tempo, e dependendo do ponto de vista você cairia para sempre, sem nunca atingir a singularidade. Infelizmente é do ponto de vista externo, do seu você morreria horrivelmente, e sem escapatória pois a singularidade, por causa da dilatação temporal estaria no futuro.

2 - O Super-Buraco Negro da Galáxia M87

A imagem é impressionante, mas como chegamos até a ela é mais impressionante ainda, e amanhã você saberá tudo sobre isso, incluindo o código fonte de alguns dos softwares utilizados.

Por agora, basta saber que esse buraco negro fica a 53 milhões de anos-luz, tem massa equivalente a quase 7 bilhões de vezes a massa do Sol, e o horizonte de eventos, o círculo negro do centro é mais ou menos do tamanho da órbita de Plutão.

E antes que reclamem da resolução da imagem, gostaria de pedir duas coisas:

1 - Faz melhor.

2 - Lembre-se disto: