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quarta-feira, 9 de março de 2016

Introdução aos Buracos Negros


    O termo Buraco Negro é de 1969, utilizado pelo cientista americano John Wheeler. Porém a ideia, a principio, surgiu com a teoria de Albert Einstein, a Relatividade GeralEinstein realizou, em 1905, a Teoria da Relatividade Especial, concluindo estudos precedentes do físico neerlandês Hendrik LorentzEla diz basicamente que "O espaço e o tempo são relativos de um referencial inercial."
    Einstein, como físico, era um gênio, mas tinha uma certa dificuldade de expressar matematicamente sua ideias. Ele levou anos de estudo para conseguir expressá-las de forma adequada e correta. 


Karl Schwarzschild


Karl Schwarzschild faleceu tempos depois
de descobrir a equação.
  Quando irrompeu a primeira guerra mundial, Karl Schwarzschild se alistou como voluntario,  atribuído à artilharia no front russoAos 16 anos,  Schwarzschild, publicou dois artigos sobre as órbitas das estrelas duplas. Em 1891, ele realizou dois anos de estudo na Universidade de Estrasburgo, onde desenvolveu seu domínio da astronomia experimental. Aos 20, ele entrou na Universidade de Munique e três anos mais tarde, ele obteve um doutorado. Karl Schwarzschild era um gênio.


  No front russo, Schwarzschild contraiu uma doença incurável. No hospital, mostraram a ele a teoria da relatividade geral de Einstein, e lá mesmo, em menos de três meses, achou uma equação matemática exata de campo para a teoria.
  Ao receber manuscritos de Karl, de 22 de dezembro de 1915, Einstein ficou agradavelmente surpreso ao saber que suas equações de campo de gravitação chegaram a admitir soluções exatas, que, apesar de sua complexidade, foram elegantemente demonstradas por Schwarzschild de ..."uma forma tão simples...", segundo ele.

    A equação de  Schwarzschild descreve um campo gravitacional em uma nova teoria que não é a de Newton. Nessa nova teoria, o cálculo de aceleração da gravidade tinha uma singularidade, um objeto que produz uma certa aceleração no espaço- como a Terra. Nós estamos submetidos à aceleração gravitacional, assim como a Terra esta submetida à aceleração gravitacional do Sol. Se esse objeto for extremamente denso, então a equação da gravidade de Schwarzschild fica completamente diferente da equação de Newton, e a sua aceleração se torna infinita.
 Então o que acontece com um objeto de aceleração infinita na superfície? Toda matéria que passar por perto será capturada, pois a aceleração é irresistível, capturando até mesmo a luz por perto. Isso é um buraco negro.


   Mas para saber como um buraco negro é formado, precisamos compreender o ciclo de vida de uma estrela.

Ciclo de Vida de Uma Estrela

   Uma estrela é formada quando uma grande quantidade de gás (na maior parte hidrogênio) começa a desabar sobre si mesma, devido a sua atração gravitacional. À medida que ela se contrai, os átomos do gás se chocam com maior frequência e velocidade, e se aquece. No fim, o gás esta tão quente que os átomos de hidrogênio se fundem para formar o hélio.
 O calor liberado nessa reação, que é como a explosão controlada de uma bomba de hidrogênio, a faz brilhar. Com o aumento do calor, também aumenta a pressão do gás, até que ela seja suficiente para equilibrar à atração gravitacional e o gás para de se contrair.
 As estrelas permanecem instáveis por um longo período. Porém, em algum momento, ela ficará sem hidrogênio e outros combustíveis. Quando uma estrela fica sem combustível, acaba esfriando e se contraindo.
 Só no fim da década de 1920 que se compreendeu o que poderia acontecer com as estrelas em seguida. Mas já se sabia da existência de algumas muito mais densas do que o sol, que tem sua densidade média semelhante a densidade da água, de 1g/cm³.

 Anã Branca é o nome dado a um tipo de estrela muito menor que as estrelas comuns, e com um brilho pequeno, se comparado às demais. Ela representa o estágio após a morte de uma estrela que não era massiva o suficiente para virar uma supernova, e que acabou se transformando em uma nebulosa planetária. Ela possui uma massa semelhante à do sol, porém em um volume semelhante ao da Terra. Sua densidade é 1.000 de vezes a densidade da água.



Estrela de nêutrons é um estágio na vida de estrelas muito grandes que, depois de consumir todo o hidrogênio em seu núcleo e explodir em uma supernova, podem virar um corpo celeste extremamente denso e compacto, onde não há mais átomos, mas um aglomerado de nêutrons. Sua densidade é de 10 trilhões de vezes a densidade da água.


 Anãs Brancas e Estrelas de Nêutrons são estrelas extremamente densas, porém elas ainda não eram suficientemente densas para criar uma singularidade de Schwarzschild. Em 1939, anos depois das descobertas das anãs brancas e estrelas de nêutrons, Einstein escreveu um artigo, dizendo que a compreensão da singularidade de Schwarzschild era apenas uma curiosidade matemática.


Se Buracos Negros são tão negros assim, então como detectá-los?


Em 1964, foi descoberto uma sistema solar, chamado Cygnus X-1, que era uma fonte de raio-X galáctica bem conhecida na constelação de cisne. Foi pensando então que viria ser uma estrela de nêutrons, mas quando se mediu a massa, viu-se que era muito maior do que poderia ser uma dessas. Poderia ser um buraco negro. Mas se os buracos negros são negros e não imitem luz, como podemos medir o espectro? Como observá-los? Por sistema binário!
 Sistema binário é um sistema composto por dois corpos celestes orbitando em torno de um centro de massa comum. É o caso de Cygnus X-1. 
 O buraco negro presente nesse sistema está com uma outra estrela. Sendo assim, ele suga a matéria dessa estrela, que gira para dentro do buraco negro. Nesse processo, há uma transformação de energia, em que a energia potencial se transforma em energia cinética, e a energia cinética se transforma em energia térmica. A temperatura pode chegar a 100 milhões de graus Kelvin, e depois a 1 bilhão de graus Kelvin.
 Dessa forma, há uma produção de raio-X. Ele é emitido e escapa do sistema solar antes que a matéria entre no buraco negro. Esses tipo de buraco negro é conhecido como buraco negro estelar.

Em breve, faremos mais publicações sobre os buracos negros. Abordaremos sua termodinâmica, os tipos de buracos negros, teorias relacionas, e também se eles são sementes ou cemitérios de galáxias. Por enquanto, deixamos uma breve introdução. Acompanhe nossas publicações e fique por dentro desse e de vários temas que virão em breve!


Fontes:

IEA USP- Instituto de estudos avançados da Universidade de São Saulo - Ciclo "Ciência Avançada" - 2ª conferência
Astronoo, o universo em todas as suas formas - Karl Schwarzschild
Wikipédia, a enciclopédia livre - Cygnus X-1
Wikipédia, a enciclopédia livre - Sistema binário
E-Física, ensino de Física online - Introdução a um Referencial Inercial

Livro - Uma breve história do tempo - Stephen Hawking

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