Nos rastros dos buracos negros invisíveis: impacto gravitacional e efeitos nas estrelas próximas

O que é um buraco negro?

Buracos negros são objetos astrofísicos cujo campo gravitacional é tão intenso que nenhuma luz pode escapar, tornando-os invisíveis. São objetos formados pelo colapso gravitacional do núcleo de estrelas massivas (supernova). Essa realidade, antecipada já no século XVIII por John Michell (1724 - 1793), é hoje descrita rigorosamente pela relatividade geral que define o horizonte de eventos como o limite intransponível para qualquer partícula ou radiação.

Observação indireta por interações gravitacionais

Um buraco negro pode ser detectado por sua influência gravitacional em seu entorno. Em astrofísica, isso se traduz no estudo do movimento das estrelas ou do gás ao redor de uma região onde nenhuma fonte de luz é visível.

• Curvas de velocidade das estrelas: Ao medir as velocidades orbitais de estrelas próximas a uma região compacta, pode-se deduzir a massa do objeto central. Um excesso de massa não visível é uma forte indicação de um buraco negro, como no centro da Via Láctea com Sagittarius A*.
• Lente gravitacional: O desvio dos raios de luz pelo campo gravitacional intenso também pode revelar um buraco negro isolado por meio de um efeito de lente gravitacional.

Radiação X dos discos de acreção

Buracos negros em fase de acreção atraem matéria circundante que forma um disco quente girando a alta velocidade. O atrito interno eleva a temperatura do disco a vários milhões de kelvins, provocando a emissão de raios X detectáveis por satélites especializados (ex: Chandra, XMM-Newton).

O espectro e a variabilidade da radiação X fornecem informações sobre a massa, a velocidade de rotação (spin) e a estrutura do ambiente próximo ao buraco negro.

Observação de rádio e imagem direta

A imagem histórica da sombra do buraco negro supermassivo de M87 pelo Event Horizon Telescope (EHT) em 2019 constituiu um avanço maior. Essa rede mundial de radiotelescópios funciona por interferometria de base muito longa (VLBI), permitindo uma resolução angular suficiente para "ver" a sombra do buraco negro cercada pelo disco de acreção.

Detecção de ondas gravitacionais

A coalescência de buracos negros binários produz ondas gravitacionais detectadas por interferômetros terrestres (LIGO, Virgo, KAGRA). Essas ondas são deformações do espaço-tempo, medidas graças a interferômetros a laser ultra-sensíveis capazes de detectar variações de comprimento da ordem de 10^-19 m.

A análise das formas de onda permite extrair as massas, spins e distância dos sistemas observados, fornecendo um novo canal de observação para estudar a física extrema dos buracos negros.

Tabela: Síntese dos métodos de observação de buracos negros

Fontes:
• Misner, C.W., Thorne, K.S., Wheeler, J.A., Gravitation, 1973.
• Abbott B. et al., Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, Phys. Rev. Lett. 116, 2016.
• Event Horizon Telescope Collaboration, First M87 Event Horizon Telescope Results, Astrophys. J. Lett. 875, 2019.
• NASA Chandra X-ray Observatory, https://chandra.harvard.edu

Os buracos negros existem desde sempre?

Os buracos negros não são unicamente o resultado da evolução estelar: alguns poderiam existir desde os primeiros segundos que se seguiram ao Big Bang. Fala-se então de buracos negros primordiais. Ao contrário dos buracos negros estelares, esses objetos hipotéticos não teriam origem no colapso de estrelas, mas de flutuações de densidade extremas no universo primordial, amplificadas pela expansão rápida durante a inflação cósmica.

Segundo os modelos físicos, certas regiões do espaço poderiam ter localmente excedido uma densidade crítica, provocando um colapso gravitacional imediato. Se esses buracos negros primordiais realmente existiram (ou ainda existem), poderiam ter massas muito variadas, desde menos que um asteroide até vários milhares de massas solares. Sua presença poderia contribuir notavelmente para explicar uma fração da matéria escura, embora nenhuma detecção direta tenha confirmado ainda sua existência.

Nesse sentido, os buracos negros não são apenas objetos nascidos de estrelas, mas poderiam ser testemunhas das condições extremas do universo primordial. Seu estudo permitiria assim testar teorias fundamentais da física, tais como a inflação, a gravitação quântica ou os modelos de unificação.

Referências:
• Carr B.J., Hawking S.W., Black holes in the early Universe, MNRAS, 168, 399–416 (1974).
• Carr B.J., Kühnel F., Primordial Black Holes as Dark Matter Candidates, Annual Review of Nuclear and Particle Science, 70, 355–394 (2020).
• Sasaki M. et al., Primordial Black Holes—Perspectives in Gravitational Wave Astronomy, Classical and Quantum Gravity, 35(6), 063001 (2018).
• Zel’dovich Y.B., Novikov I.D., Relativistic Astrophysics Vol. 1, University of Chicago Press (1971).
• Abbott B. et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), GWTC-3: Compact Binary Coalescences Observed by LIGO and Virgo During the Second Part of the Third Observing Run, Phys. Rev. X 11, 021053 (2021).