29/03/13

Resenha: Buracos nem tão negros assim.


Resenha

Buracos nem tão negros assim

Felipe Damasio e Sabrina Moro Villela Pacheco

Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina, Araranguá, SC, Brasil, 2009.


Vista da Via Láctea.


O artigo escrito por Felipe Damasio e Sabrina M. V. Pacheco, composto por tópicos diversos, cria um ambiente para o leitor onde o mesmo não precisa possuir grandes conhecimentos sobre o assunto abordado. Os autores utilizam como base, textos científicos e teses; desde as mais antigas, como as de Isaac Newton, até mais recentes, como as de Stephen Hawking; para a criação de uma síntese da ideia sobre buracos negros. A relevância desse texto está no fato de que ele aborda diferentes temas relacionados a buracos negros, portanto é uma ótima fonte de conhecimentos físicos para quem tenha interesse no assunto.

O texto segue de forma cronológica, e muitas vezes é utilizada uma linguagem informal, deixando explícita a vontade dos autores de redigir um artigo onde se possa relacionar fatos científicos complexos que necessitam de um aprofundamento, com exemplos simples e imagens de fácil compreensão, além de abordar o tema de forma clara e precisa.

É interessante o modo como os autores iniciam seu texto. Eles partem de uma introdução sobre a “revolução na nossa visão sobre o Universo”, o que foi causa da invenção do telescópio por Hans Lippershey, utilizado por Galileu Galilei no mesmo ano de 1609. Sempre partindo dessa descoberta, os autores levam o leitor ao princípio da ideia de buracos negros, afirmando este como um tema que desperta grande curiosidade em até mesmo “pessoas sem nenhum tipo de interesse em temas científicos”. A partir desse instante, os autores quebram a visão popular sobre os buracos negros, dizendo que não são corpos celestes que absorvem toda a matéria ao seu redor, um dia podendo acabar com todo o universo. Essa “má fama”, como citam os autores, “não é toda merecida, e sua versão popular não inclui as novas descobertas a seu respeito, ocorridas nas últimas décadas, que serão nossos temas principais”

No segundo tópico, “As ideias pioneiras”, são postas em prática várias teorias, como por exemplo, a Teoria da Relatividade de Einstein, a teoria gravitacional e princípios da luz, como sua velocidade e classificação (onda ou partícula), sendo esta última algo que os autores ressaltam como uma controvérsia até os tempos de hoje, chamada de dualidade onda-partícula. Newton sugere que a luz seja  formada de partículas, e diz que seu comportamento pode ser explicado pela mecânica newtoniana, afirmando que uma vez que a luz seja formada por partículas, elas seriam atraídas pelo campo gravitacional. Neste caso, ela precisaria de uma velocidade mínima para “fugir” de um determinado campo gravitacional, sendo essa velocidade conhecida como velocidade de escape. O cientista Roemer foi o primeiro a descobrir que a luz tem uma velocidade finita, e sua descoberta isso possibilitou a previsão de alguns fenômenos, como por exemplo, a existência de corpos extremamente maciços e densos. Assim, se um corpo possuir uma velocidade de escape maior que a velocidade da luz, seria impossível visualizá-lo, pois toda a luz gerada ou refletida seria sugada de volta. Portanto, se olhássemos da Terra para essa área de grande campo gravitacional, veríamos apenas uma “região negra no espaço”, imaginando que talvez não exista nada por lá.

A ideia de que a luz pode ter sua trajetória alterada por um campo gravitacional teria que esperar até o século XX e por Albert Einstein. A publicação de teoria da Relatividade Geral, em que uma de suas previsões era que a luz deveria sofrer desvios ao se aproximar de campos gravitacionais intensos, como provocado pelo Sol. A suposta comprovação dessa hipótese veio quando fotografias tiradas de um eclipse solar visível com nitidez na cidade cearense de Sobral, teriam comprovado as ideias do cientista alemão. Karl Schwarzschild, poucos meses antes de morrer, utilizou a recém publicada teoria da relatividade geral para obter algumas soluções matemáticas. Estas soluções apontam para uma peculiar consequência, que pode ser hoje apontada como os buracos negros.

Em 1939, o norte americano Robert Oppenheimer usou a teoria da relatividade geral para descrever o que aconteceria com a luz ao passar por uma estrela bem mais densa que o Sol, a luz seria encurvada em direção à estrela. Quando a densidade da estrela fosse suficiente, a trajetória da luz seria tão perturbada em direção à estrela que ela não conseguiria mais escapar deste campo gravitacional. Este limite de aproximação de um corpo celeste antes de ser “sugado” para dentro é conhecido como horizonte de eventos,

De acordo com a teoria da relatividade geral, nada pode viajar mais rápido que a velocidade da luz, ou seja, para nenhum corpo existia a possibilidade de fugir desse campo gravitacional. Tudo que passasse pela vizinhança da estrela, seria tragado para dentro, por seu incrível poder de curvar o espaço tempo.

No terceiro tópico, “A origem dos buracos negros”, os autores iniciam subdividindo os buracos negros em dois grupos, de acordo com sua origem e massa: os estelares (massa de até 7 vezes a do Sol) e os supermaciços (estima-se que possuam massa na ordem de milhões de vezes a do Sol). Eles citam ainda o alemão Hans Bethe, que em 1930 propôs o mecanismo conhecido hoje como fusão nuclear. Trata-se da fusão de átomos menores em outros maiores, o que resulta na liberação de energia pelas estrelas, como o Sol. O principal combustível dessas estrelas é o hidrogênio, portanto quando este se torna escasso, significa que o astro se aproxima do fim de sua vida.

É ressaltado que um colapso na massa da estrela só é evitado porque a força de atração gravitacional é equilibrada pela energia da fusão nuclear. O problema é quando os níveis de hidrogênio da estrela ficam muito baixos, pois com isso ocorre um desequilíbrio entre as duas forças. Desse modo, os autores chegam à explicação de que o destino de uma estrela é determinado por sua massa e o sistema que faz parte (binário ou múltiplo). Quanto ao último caso, o fim da estrela depende também da distância entre os astros do sistema. Chega-se  então ao conceito de nebulosa planetária, que ocorre quando uma estrela de no máximo 10 vezes a massa do Sol fica com níveis baixíssimos de hidrogênio, e acaba por expandir-se ejetando grande parte de sua massa. Por fim, esta torna-se uma anã-branca. Os autores usam o Sol como exemplo desse fenômeno, mas dizem que isso só ocorrerá daqui a 5 bilhões de anos. Já uma supernova, segundo eles, é o mesmo fenômeno, porém ocorre com uma estrela com a massa de mais de 10 vezes a solar. O fim de um astro entre 10 a 25 vezes resulta numa estrela de nêutrons, e o de um astro maior que 25 vezes, no chamado buraco negro estelar.

Por fim, os autores mencionam os buracos negros supermaciços, que são formados por estrelas maiores do que todas as anteriores. Ele é observado apenas indiretamente, apenas no centro de galáxias. Segundo eles, há três versões principais que explicam a sua origem. A primeira conta que esse tipo de buraco negro é antigo e seria resultado do colapso de grandes quantidades de matéria. Na seguinte, diz-se que eles se formaram com uma massa bem menor que a atual, mas devido à captura de outros corpos sua massa aumentou. A última explica que pode ter ocorrido uma fusão de duas galáxias, fazendo com que os buracos negros delas também se fundissem.


Evolução final das estrelas de acordo com sua massa inicial.


É a partir do quarto tópico, “Mesmo que Einstein duvidasse”, que os autores afirmam que buracos negros são uma “previsão da teoria da relatividade geral, onde a massa de um corpo (uma estrela, por exemplo) colapsa até se concentrar em um único ponto.” Nesse instante, o ponto é chamado de singularidade do espaço-tempo, um local onde as leis da física não podem ser aplicadas, incluindo a própria relatividade geral. Portanto, os autores explicam que essa teoria “continha as sementes de sua própria destruição ao prever um fenômeno que não podia explicar”. O texto adquire um caráter opinativo justamente nesse momento, já que os autores tentam entender o motivo de Einstein para desacreditar na existência da física dessa singularidade. Também cria-se uma comparação entre essa descrença de Einstein e a comunidade científica atual, sendo isso um exemplo ao leitor dos paradigmas da ciência contemporânea. É nesse instante que se inicia outra comparação entre duas teorias: a de Einstein e a de Newton. De acordo com Einstein, “a gravidade não é mais uma força misteriosa causada por uma massa, capaz de influenciar objetos distantes através do espaço, como na teoria de Newton”. Einstein afirma que a gravidade é uma consequência das características do espaço-tempo, onde uma massa pode deformá-lo provocando sua curvatura. Baseando-se no “princípio da preguiça cósmica” , Einstein diz que tudo é uma questão de preguiça dos corpos celestes em seguir o menor caminho no espaço-tempo curvo.

Mesmo sendo essas teorias muito parecidas para campos gravitacionais, os autores descrevem que dependendo da intensidade desses campos, maior será a diferença entre elas. A órbita errante de Mercúrio é o exemplo escolhido pelos autores para demonstrar essa diferença. Enquanto a teoria de Newton não consegue prever uma explicação da realidade física para essa característica da órbita do planeta mais próximo do Sol, a de Einstein consegue entrar em total acordo com tal órbita. Assim, como buracos negros possuem um campo gravitacional gigantesco, os autores afirmam que não é possível dispensar o uso da teoria da relatividade geral. É colocado em evidência a partir dessa teoria, algo que desperta a curiosidade de muitas pessoas: o fato de uma diferença temporal. Explicada de um modo de fácil compreensão, os autores adotam um exemplo hipotético e, de certo modo, humorístico para descrever esse acontecimento. De acordo com a teoria da relatividade geral, quanto mais intenso for um campo gravitacional, menor será o intervalo de tempo medido por alguém que está nesse “horizonte de eventos” em relação a outra pessoa, situada num campo de menor intensidade.

Novamente, os autores tentam desconstruir essa crença popular de que buracos negros são insaciáveis. Dessa vez, eles (hipoteticamente falando) transformam o Sol em um buraco negro e perguntam ao leitor o que ele acharia que aconteceria com a órbita da Terra. Logo em seguida, respondem dizendo que “absolutamente nada” iria mudar, com base que o planeta estaria fora do horizonte de eventos, estando livre da influência da singularidade. Mudando a situação, agora os autores transformam a Terra em um buraco negro repetindo que a órbita da Lua também se manteria inalterada, apenas para deixar claro que essa visão popular sobre esses corpos celestes está em desacordo com a verdade física. Mais uma vez, abraçando o humor, eles afirmam que, para Terra se transformar em um buraco negro, ela teria que ser reduzida até um raio da ordem de dois centímetros, “algo pouco provável que aconteça com você aqui para se preocupar com isso.”

Em “Nem tudo está perdido, só mesmo a aposta de Hawking”, os trabalhos de Hawking contribuíram para nossa maior compreensão do universo. Em 1974 ele surpreendeu o mundo quando aplicou mecânica quântica no estudo dos buracos negros. Sua conclusão foi que ele “evaporam” emitindo partículas elementares até desaparecerem completamente. Para chegar a essa conclusão, Hawking utilizou o conceito do vácuo quântico, que diz que o vácuo tem uma energia conhecida como energia do ponto zero. Esse vácuo seria povoado por partículas virtuais, assim chamadas por serem formadas e aniquiladas aos pares tão rapidamente a ponto de não poderem ser detectados, esse fenômeno é conhecido como flutuação quântica. Quando a criação dessa partícula ocorre próximo ao buraco negro, o forte campo gravitacional pode capturar uma de suas partículas, deixando a outra livre, desta forma, constituindo-se uma partícula real. Na visão de um observador o buraco negro está irradiando está partícula, essa radiação é conhecida como radiação Hawking.


Stephen Hawking.

Para a radiação Hawking ocorrer é necessário grande quantidade de energia, que seria fornecida pelo próprio buraco negro. Ao ceder essa energia para separar as partículas virtuais, o buraco negro diminui sua energia até desaparecer. Com essa descoberta podemos compreender que os buracos negros desaparecem e que não estão fadados a aumentar eternamente.

Em 1997, uma aposta entre Hawking e o norte americano Kip Thorne contra o outro norte americano John Preskill, buscava saber se era possível resgatar informações que tivessem atravessado o horizonte de eventos de um buraco negro. Em 2004, Hawking declarou que havia perdido a aposta, e que era possível recuperar informação de dentro de um buraco negro devido às flutuações quânticas. Hawking fez uma grande descoberta, e como um bom perdedor, teve que admitir sua derrota na aposta. Os autores explicam melhor essa teoria no tema seguinte.

Já no tópico “Como resgatar alguém de um buraco negro”, os autores contam uma fábula, proposta por Hawking e sua filha Lucy, além de citarem diversas curiosidades,  A história fala de um cientista que constrói um supercomputador capaz de transportá-lo no espaço e de adiantar o tempo. Em busca de planetas habitáveis como a Terra, ele recebe uma carta anônima de seu rival, dando a coordenadas de um buraco negro. Esperançoso em achar o que procurava, o cientista se transporta até o local, e se depará com o tal buraco negro. Felizmente, ele havia deixado para sua filha e o colega dela um livro ensinando a resgatar alguém de um buraco negro. Assim, o livro explica que o buraco negro suga com mais intensidade a parte do corpo da pessoa que está mais próxima a ele. Por isso, este estica e despedaça completamente a pessoa. Aí surge a curiosidade de que quanto menor a massa do buraco negro, mais rápido ele “evapora”, devido à radiação Hawking. Quando ele evapora, portanto, ele reduz o que sugou a partículas, que por sua vez podem ser reorganizadas para formar novamente o objeto sugado. Assim, a garota e seu colega usam o supercomputador para filtrar as partículas e reconstituir o pai dela, o que levaria no entanto bilhões de anos, se não fosse pela capacidade da máquina de acelerar o tempo. Com a evaporação do buraco negro adiantada, os dois consegue reorganizar as partículas e salvar o cientista.

Após contarem a fábula de Stephen Hawking, os autores ainda são bem humorados no final do tópico. Eles alertam seus leitores para que evitem cair num buraco negro, pois estes demorariam muito para serem resgatados.

Continuando com curiosidades sobre os buracos negros, no sétimo tópico, “Nada brilha tanto quanto os buracos negros”, os autores partem de uma ideia paradoxal: nada no Universo emite tanta radiação quanto um buraco negro. Os quasares (ou quase-estrelas), são objetos celestes muito pequenos que conseguem brilhar mais que galáxias inteiras. Foi na década de 1960, quando astrônomos acabaram por conhecê-los e descrever que “tinham uma aparência estrelar, mas com características distintas das estrelas conhecidas”, como por exemplo uma grande emissão de raios ultravioletas e de ondas de rádio. Os autores colocam em evidência um desses corpos que foi identificado em 1962, nomeado de Quasar 3C 273. Os autores ressaltam que foi uma surpresa muito grande quando foi calculada a distância desse corpo da Terra: “2,2 bilhões de anos-luz!”. Logo em seguida, eles apresentam uma pergunta que foi considerada um grande desafio a academia científica, que é “como um objeto tão distante pode brilhar tanto?”. Para demonstrar ao leitor o quão intenso o brilho desse quasar é, os autores afirmam que sua emissão de luz é o equivalente a 100 vezes o brilho da Via Láctea inteira. Fica identificada mais uma vez a preocupação dos autores com o público-alvo, já que estão sempre buscando exemplos de fácil compreensão para acrescentá-los em seu artigo.

Logo em seguida, eles apontam hipóteses sobre a origem desses corpos celestiais, citando que, em 1963, em uma conferência em Dalas, físicos propuseram que estava relacionada com buracos negros. Os autores então, apresentam do que se trata essa teoria. Porém, ela só foi publicada oficialmente em 1980, pelo cosmologista e astrofísico britânico Martin Rees. Ela explica que esse “tal mecanismo propunha que quando buracos negros supermaciços absorvessem gás e estrelas, eles emitiriam estas grandes quantidades de energia.”. Assim, acredita-se hoje que quasares são “núcleos de galáxias onde existe um buraco negro supermaciço”, absorvendo essa grande quantidade de gás e estrelas e emitindo energia. Para demonstrar novamente os paradigmas da ciência contemporânea, os autores citam que no começo, acreditava-se que esses corpos celestes não faziam parte de nenhuma galáxia, devido a seu brilho ofuscar o da galáxia. “Em um exemplo exagerado, seria o mesmo que querer observar uma lâmpada no lado do Sol.”

No último tema, nomeado de “O céu não é o limite”, os autores abordam o CERN (sigla em francês para Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear), fundado em 1954, considerado hoje como o maior laboratório de física de partículas do mundo, localizado na fronteira entre a Suíça e a França. Responsável pela invenção da rede mundial de computadores, esse centro possui o LHC (termo em inglês para Grande colisor de Hárdrons, também conhecido pelo nome de Acelerador de Partículas). Esse último foi inaugurado em 2008, porém “suas operações tiveram de ser interrompidas em razão de um vazamento de hélio ocasionado por um problema de conexão entre seus imãs.”

Vista área do CERN.

Os autores alegam que o ano de 2008 marca “sem dúvida, um divisor para a física com o início de suas operações”, entretanto, asseguram a ideia que seu funcionamento em regime máximo deve demorar alguns anos.

O principal motivo dos autores de abrir espaço em seu texto sobre essa Organização é que existe a possibilidade (remota) da criação de miniburacos negros a partir do LHC, gerados a partir do “choque de partículas altamente energéticas”. No entanto, uma boa parte da comunidade científica não coloca muita fé que isto poderá vir a acontecer, como declaram os autores. Devido a sua pequena massa, esse miniburaco negro emitiria uma quantidade gigantesca de radiação Hawking. E, analisando-a, poderemos finalmente entender os buracos negros estrelares e supermaciços, além dos quasares.

Foram feitos alguns cálculos no início dos anos 2000, apontando que, em seu total funcionamento, o LHC poderá produzir cerca de 100 milhões de buracos negros a cada ano. A massa dessas singularidades seria na ordem 22 microgramas e seu “tempo de vida” duraria em torno de 10-26 segundos.

Para finalizarem seu artigo, os autores mencionam que talvez será possível a declaração do ano de 2408 como o ano da astronomia. E o motivo que eles utilizam é que “400 anos antes, em 2008, entrara em operação um laboratório que mudou nossa visão do Universo, desta vez até sem necessariamente o auxílio de telescópios”, tudo apenas com o funcionamento do Acelerador de Partículas. “Quem viver verá se tal previsão ira se confirmar!”.

Pode-se concluir que os autores do artigo fizeram um texto rico e bastante completo, onde dividiram o tema central “buracos negros” em diversos outros, com curiosidades e explicações. O uso de imagens para orientar o leitor também ajudou a tornar a obra mais dinâmica, para poder atrair um público interessado mais diversificado. Baseando-se bastante em físicos renomados como Einstein, Newton e Hawking, eles fundamentam tudo o que explicam em conceitos físicos, por isso quem lê não aprende só sobre buracos negros em si, mas também sobre a Física e suas diversas vertentes.

Fonte: “http://www.sbfisica.org.br/fne/Vol10/Num1/a06.pdf”, acessado em 29 de março de 2013.



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