Perguntamos ao cosmologista Pau Figueras tudo o que você sempre quis saber sobre buracos negros. Na outra parte da entrevista ele explicou o que são os buracos negros, fisicamente, e como esperamos observá-los. Nesta segunda parte da entrevista, ele explica como as teorias de Einstein predizem sua existência e como descrevê-las matematicamente.
Observe que, desde que esta entrevista foi realizada, evidências concretas de buracos negros foram detectadas. Vem de ondas gravitacionais. Veja os buracos negros existem! descobrir mais.
Como os buracos negros foram previstos pela primeira vez?
Einstein publicou sua [teoria da relatividade geral] no final de 1915,
e apenas alguns meses depois, no início de 1916, [Karl]
Schwarzschild encontrou a primeira solução das equações de Einstein. [Por solução, queremos dizer alguns valores para as variáveis que descrevem a curvatura do espaço-tempo e a distribuição da matéria que satisfazem as equações de Einstein.]
[Esta solução] descreve o campo gravitacional de um corpo esfericamente simétrico: um buraco negro.
Naquela época não se entendia que aquela solução correspondia a um
buraco negro. Na verdade, mesmo na década de 30, as maiores mentes da época,
[incluindo] o próprio Einstein, desprezava a ideia de um buraco negro
porque continha uma singularidade, ou seja, um lugar onde a curvatura é
tão grande que até mesmo a relatividade geral se desintegra. Demorou quase 50
anos para realmente entender o que é um buraco negro, e isso só foi feito na década de 1960.
A relatividade geral afirma que objetos massivos curvam o espaço-tempo. Como os buracos negros afetam a curvatura do espaço-tempo?
A força do campo gravitacional é medida em termos da curvatura. E como os buracos negros são muito massivos e muito pequenos, sua gravidade é muito forte e [cria] uma curvatura muito grande do espaço-tempo.
Uma forma de caracterizar a curvatura é algo chamado de raio de Schwarzschild :
onde $ G_ N $ é a constante de Newton [de gravidade], $ M $ é a massa do objeto e $ c $ é a velocidade da luz.
O raio de Schwarzschild é, mais ou menos, o tamanho que um dado objeto, com uma dada massa, deveria ter para ser um buraco negro. Por exemplo, se conseguíssemos concentrar toda a massa da Terra em uma esfera com um raio de alguns centímetros, então esse objeto seria um buraco negro.
Claro que sabemos que isso não pode acontecer porque existem outras forças na natureza que o impedem, mas em outras circunstâncias pode acontecer. Por exemplo, quando estrelas muito massivas ficam sem combustível nuclear, elas esfriam e entram em colapso e, em algum ponto, tornam-se pequenas o suficiente para que toda a massa caiba em um raio de Schwarzschild - portanto, formam um buraco negro.
Por exemplo, o raio de Schwarzschild do Sol é da ordem de alguns quilômetros. Portanto, se conseguíssemos concentrar toda a massa do Sol em uma esfera de alguns quilômetros, isso seria um buraco negro.
<p style="text-align:left">Você pode caracterizar um buraco negro de forma tão simples, com apenas alguns recursos, como massa e tamanho?
Uma das razões pelas quais os buracos negros são tão importantes em nosso entendimento da relatividade geral é por causa de sua simplicidade - porque eles são feitos dos blocos de construção mais fundamentais da teoria, a saber, apenas espaço e tempo. Eles são muito simples e, portanto, podemos entendê-los.
Isso [está em contraste com] outros objetos gravitacionais, como estrelas. Para entender uma estrela, [além de precisar] levar em consideração a relatividade geral, você também precisa entender a física nuclear para explicar as reações nucleares [e] a física do plasma para entender o transporte de calor dentro da estrela. Isso fica muito complicado e frequentemente somos levados a estudar esses objetos dentro de certas aproximações.
Não temos que fazer isso com os buracos negros porque eles são feitos apenas de espaço e tempo, então temos um entendimento completo deles somente dentro de nossa teoria. Não precisamos de nenhuma outra física. Essa simplicidade se traduz no fato de que eles são apenas descritos em termos de poucos parâmetros.
No caso do vácuo, se o buraco negro é estático, então ele deve ser esférico e há apenas um parâmetro que caracteriza o buraco negro, ou seja, sua massa. [No entanto], objetos na natureza, como estrelas, giram, então os buracos negros que ocorrem na natureza devem ter alguma rotação. A solução de Schwarzschild foi encontrada [apenas] meses depois de Einstein publicar sua teoria, mas levou mais 50 anos para encontrar a solução geral que tem rotação e é relevante para descrever os buracos negros [que podemos encontrar na] natureza. Esta solução de Kerr é descrita inteiramente por apenas dois parâmetros, a saber, a massa e o spin do buraco negro. Com esses dois parâmetros, você pode caracterizar totalmente todos os buracos negros na natureza e não precisamos fazer nenhuma aproximação para entender esses objetos. É por isso que eles são tão importantes.
Em certo sentido, os buracos negros não são diferentes das partículas elementares [na física de partículas] porque só precisamos especificar alguns parâmetros [para descrevê-los]. O mesmo com os buracos negros - [eles] são as partículas elementares da relatividade geral.
Os buracos negros são o maior mistério aberto da relatividade geral?
sim. Os buracos negros são uma previsão da relatividade geral e sabemos de vários casos na natureza em que pensamos que eles deveriam ocorrer, mas ainda não os detectamos. Portanto, ainda é uma questão em aberto se eles [existem] ou não, ou se eles têm as propriedades que a relatividade geral prediz.
Isso é importante porque a maioria dos testes [de] relatividade geral [envolve] situações em que a gravidade é fraca ou relativamente fraca. Por exemplo, testamos a curvatura da luz, a precessão do periélio de Mercúrio.
Detectar buracos negros seria importante porque os sinais que nós
obteria, ou seja, aquelas ondas gravitacionais, seriam geradas em
regiões onde a gravidade é muito forte. Isso nos permitiria testar o forte regime de campo da relatividade geral, que é algo que não fomos capazes de fazer até agora. Isso colocaria testes muito fortes sobre a relatividade geral, por isso é muito importante que [observemos] os buracos negros: [as observações nos dariam] uma janela completamente nova para a relatividade geral.
