Buracos NegrosBuracos Negros

A História num relance...A História num relance... 1783 – Jonh Michell, previu que se uma estrela possui-se uma massa 20 a 30 vezes maior que o Sol originaria um Buraco Negro;

Início do séc. XIX – Pierre Simon (Marquês de Laplace), formulou a mesma hipótese de Michell, de forma independente;

Início do séc. XX – Karl Schwarzschild defendeu a hipótese de que quando uma estrela se contrai, atinge um ponto em que a sua gravidade é tão elevada que a luz não lhe consegue escapar;

1928 – Chandrasekhar, calculou que uma estrela com cerca de uma vez e meia a massa do Sol não seria capaz de se sustentar contra a sua própria gravidade – massa limite de Chandrasekhar (1,2 massas solares);

1928 – Landau, descobriu que estrelas acima da massa limite de

Chandrasekhar, livrar-se-iam de parte da sua massa até estarem abaixo da massa limite, ou então colapsariam num ponto de densidade infinita;

1939 – Oppenheimer, estudou o que aconteceria com as estrelas,

hipótese de Landau, sob o ponto de vista da Relatividade Geral.

O limite Oppenheimer – Volkoff conhecido hoje mostra

que um objecto com cerca de 3 massas solares poderia dar origem a

uma estrela de neutrões estável; se o objecto tivesse mais de 3

massas solares poderia colapsar na forma de um buraco negro.

1967 – Wheeler, usou pela primeira vez o nome de “buraco negro”, é por

isso considerado o “pai “dos buracos negros, foi este astrónomo que

enunciou o teorema “os buracos negros não têm cabelo”. Demonstrou que

as únicas propriedades de um buraco negro são a sua massa, rotação e

carga;

Como se descobriu o primeiro Buraco Como se descobriu o primeiro Buraco Negro?Negro?

O primeiro Observatório de Raio-X, foi colocado em órbita pelos EUA, de uma plataforma italiana no Oceano Índico, tendo recebido o nome de Uhuru;

Em 1971, descobriu uma fonte brilhante de Raio-X na constelação de Cygnus (Cisne), a que se deu o nome de Cygnus X-1;

A Cygnus X-1 tinha o tamanho de um asteróide e era visível a distâncias interestelares e encontrava-se no mesmo lugar de uma estrela supergigante azul quente;

A fonte de Raio-X só poderia ser um objecto invisível, que pesando dez vezes mais que a massa solar, entrou em colapso até atingir o volume de um asteróide. Este objecto só poderia ser um Buraco Negro.

A Geometria Euclidiana e os Buracos A Geometria Euclidiana e os Buracos NegrosNegros

O primeiro homem a falar de uma geometria que descrevia o espaço-tempo na ausência de um campo gravítico foi Euclides – Geometria Euclidiana;

Actualmente a Geometria Euclidiana não é aceite no estudo dos Buracos Negros, usando-se duas novas geometrias, a de Schwarschild e de Kerr.

A Evolução EstelarA Evolução Estelar

Fig.1 – Imagem do Sol.

As estrelas durante a sua vida passam por várias fases de evolução,

tal como o nosso Sol está a passar, dependendo da sua massa. Esta

evolução apresenta uma primeira fase que é comum a todas as estrelas,

onde se despreza a sua massa:

Fig.2 – Fases da evolução de uma estrela.

1 – Nuvem de gás; 4 – Maturidade;

2 – Estrela embrionária; 5 – Gigante Vermelha;

3 – Combustão Solar;

Fig.3 – Fases da evolução de uma estrela (massa superior a 10 massas

solares).

6 – Supernova;

7 – Após a explosão da Supernova;

8 – Estrela de Neutrões;

Fig.4 – Fases da evolução de uma estrela (massa igual ou inferior à massa do

Sol).

9 – Nuvem em contracção; 10 – Disco giratório;

11 – Sistema embrionário; 12 – Fase semelhante à actual

do Sistema Solar;

13 – A estrela em expansão; 14 – Clarão de Hélio;

15 – Nebulosa Anelar; 16 – Anã-Branca/Anã-Preta;

Fig.5 – Explosão de uma estrela em forma de supernova.

As estrelas no fim da sua evolução “morrem”. Este fenómeno pode

ocorrer de várias formas:

Anã Branca: corresponde à fase final da vida de uma estrela de

pequena massa, na qual a fonte de energia termonuclear se esgotou.

Uma anã branca não é mais do que uma estrela fóssil.

Fig.6 - O gás de uma estrela cai na anã branca seguindo as

suas linhas de campo magnético.

Anã castanha: Objecto mais “leve” que as outras estrelas, tendo uma massa muito reduzida, não sendo assim suficiente para aumentar a sua temperatura, não conseguindo por isso desencadear reacções de fusão nuclear;

Fig.7 - À esquerda temos uma imagem da estrela 15Sge e a sua companheira, a anã-castanha 15Sge B. À direita temos uma imagem obtida, removendo da imagem a luz da estrela principal, cujo centro se

encontra circulado.

Anã Preta: representa a forma final de uma anã castanha ou anã branca. É um objecto frio e denso que deixa de irradiar energia tornando-se invisível;

Estrela de Neutrões: formam-se quando uma supernova explode. Têm poucos quilómetros de diâmetro e são inteiramente constituídas por neutrões.

São cobertas por rígidas crostas, e constituídas por elementos como o ferro. Os neutrões que constituem estas estrelas poderão decompor-se em quarks. Esta é a última fase antes de se tornar num buraco negro.

Estas estrelas são dotadas de rápida rotação e fortemente magnetizadas, produzindo feixes de ondas de rádio.

Fig.8 – Anatomia de uma estrela de neutrões.

Fig.9 – Esquema da evolução estelar.

Fig. 10 – Representação de um buraco negro, estrela

de neutrões e de uma anã-branca.

Fig.11 – Imagem Raios-X da Puppis A, onde existe uma

estrela de neutrões com 12Km de diâmetro.

Fig.12 – No centro da galáxia M87 onde se pensa existir

um candidato a buraco negro.

Fig.13 – Nesta imagem, temos uma provável

representação de anãs-brancas, que se encontram

circuladas.

Anatomia dos Buracos NegrosAnatomia dos Buracos Negros

O que é um Buraco Negro?

Surge através da morte de uma estrela super massiva;

São uma região no espaço em que existe muita massa concentrada, onde é impossível a qualquer objecto escapar ao seu campo gravitacional;

São objectos massivos que distorcem o espaço-tempo.

É delimitado por algo a que se chama horizonte de acontecimentos, que funciona como fronteira;

Ao contrário do que parece, não se encontra estático mas sim girando a uma velocidade igual ou maior à da luz.

Fig.14 – Concepção artística de um Buraco Negro.

Algumas galáxias onde se pensa existir buracos negros...Algumas galáxias onde se pensa existir buracos negros...

Fig.15 – Galáxia de Andrómeda.

Fig.16 – Nebulosa de Caranguejo.

Fig.17 – Nebulosa de Cisne.

Fig.18 – Nebulosa Carina.

A Família dos Buracos NegrosA Família dos Buracos Negros

Agrupam-se em 3 tipos:

1. O buraco negro de Schwarzschild:

não tem rotação e carga eléctrica;

singularidade rodeada por um horizonte de acontecimentos.

Fig.19 – Constituição de um Buraco Negro de Schwarzschild.

2. O buraco negro de Reisner-Nordstrom:

tem carga eléctrica;

não tem rotação;

tem dois horizontes de acontecimentos.

Fig.20 – Constituição de um Buraco Negro de Reisner-Nordstrom.

3. O buraco negro de Kerr:

Tem rotação;

A singularidade é alongada em forma de anel;

Tem dois horizontes de acontecimentos.

Fig.21 – Constituição de um Buraco Negro de Kerr.

A Esfera de FotõesA Esfera de Fotões

É nesta esfera que os fotões orbitam o Buraco Negro.

Fig.22 – Esfera de Fotões de um Buraco Negro.

Força Centrífuga InvertidaForça Centrífuga Invertida

A força centrífuga é uma força imaginária, que nos leva a continuar um movimento em linha recta.

Ao aproximarmo-nos de um buraco negro seriamos puxados por esta força, mas de forma invertida, para o seu interior.

Numa região contida entre r=3GM/c2 no horizonte as forças centrífugas levam os objectos a descreverem movimentos circulares.

Discos de AcreçãoDiscos de Acreção

A matéria ao aproximar-se do campo gravitacional de um buraco negro acaba por formar um disco que gira em torno do próprio buraco – disco de acreção;

A matéria que constitui o disco é formada principalmente por

núcleos de hidrogénio e electrões;

Ao mesmo tempo que parte da matéria é puxada para dentro do

buraco outra parte é ejectada formando jactos de luz.

Fig.23 – Disco de acreção.

Fig.24 – Discos de acreção

O Campo Gravitacional de um Buraco NegroO Campo Gravitacional de um Buraco Negro

É o campo de acção do Buraco Negro (do centro ao horizonte de acontecimentos), tem várias consequências:

1. A Força de Atracção dos Buracos Negros não deixa escapar nada, nem mesmo a luz;

Fig.25 – Buraco Negro sugando uma estrela.

2. O efeito que provoca sobre a radiação: o desvio para

o vermelho (redshift) causado pelo campo gravitacional;

Z é o redshift; M é a massa do objecto que está provocando o

redshift; R é a distância que separa a fonte emissora da massa

Me;G é a constante gravitacional;

Qual o tamanho de um buraco negro?Qual o tamanho de um buraco negro?

Não existe um limite de massa;

Para formar um buraco negro basta que uma entidade se comprima a uma densidade suficientemente elevada.

 

Fig.26 - Imagem obtida pela Chandra, mostra um buraco negro de elevada massa, no centro de Perseus A.

 

Fig. 27 – Neste esquema podemos ver a relação que parece

existir entre a massa de um buraco negro e a massa

da região onde este se encontra.

Radiação de um Buraco NegroRadiação de um Buraco Negro

Stephen Hawking previu que os buracos negros possam emitir

uma leve radiação:

formam-se no espaço pares de partículas/antipartículas (uma com energia positiva outra com energia negativa);

um dos pares pode ser puxado para dentro do Buraco Negro enquanto o outro consegue escapar.

parecerá que o buraco negro emitiu uma partícula de radiação.

A partícula sugada pelo Buraco tem energia negativa, fazendo diminuir a temperatura e a massa.

Fig.28– Libertação de energia Fig.29 - Um buraco negro faz

de um Buraco Negro. com que o material que o

circunda gire à sua volta. Ao

mesmo tempo liberta energia

sob a forma de raios-X.

 

Raio Crítico e o Horizonte de AcontecimentosRaio Crítico e o Horizonte de Acontecimentos

Schwarzschild usou a teoria da relatividade de Einstein para explicar a forma como o espaço tempo é distorcido à volta de uma porção de matéria;

Schwarzschild, induziu a ideia de que quando uma estrela se contrai, atinge um ponto em que a gravidade é tão elevada que nem a luz escapa.

Fig.30 – Karl Schwarzschild (1873 – 1916)

Rsch – raio de Schwarzschild;

G – constante gravitacional;

m – massa do corpo;

c – velocidade da luz;

O raio crítico delimita uma zona que é chamada de “horizonte

de eventos” ou “horizonte de acontecimentos”.

O raio crítico de um buraco negro é a zona que se

encontra entre o limite do horizonte, até ao ponto onde se atinge a

Singularidade.

Fig. 31 – Raio Crítico e o Horizonte de Acontecimentos.

Tipos de Buracos NegrosTipos de Buracos Negros

Podem-se classificar, conhecendo:

momentum angular (medida da sua rotação)

carga eléctrica

massa

Buracos Negros Estelares

Buracos Negros Supermassivos

Velocidade de Escape Velocidade de Escape

Gráf.1 e 2 -Gráf.1 e 2 - Representação da trajectória deRepresentação da trajectória de uma bola lançada dauma bola lançada da

superfície de um planeta. superfície de um planeta.

A velocidade de escape depende de:

Massa do planeta;

Distância a que o corpo se encontra do centro do planeta.

m – massa dos corpos

G – constante gravitacional

R – raio do planeta

Ve – velocidade de escape

Como é que evaporam?Como é que evaporam?

Em 1970, Stephen Hawking afirmou que os Buracos Negros não eram totalmente negros, sendo assim emitem radiação.

À medida que a percentagem de radiação aumenta a massa diminui.

O Buraco Negro continua a irradiar energia, até desaparecer.

Explosão de um Buraco NegroExplosão de um Buraco Negro

Stephen Hawking, previu em 1974, que os Buracos Negros podem brilhar intensamente diminuindo de tamanho até à sua explosão.

Descobriu que o campo gravitacional de um Buraco Negro emite energia, diminuindo a massa do buraco.

A “radiação de Hawking” é desprezável para a maioria dos buracos, mas os muito pequenos emitem energia rapidamente até explodirem violentamente;

Como descobrir um Buraco Negro?Como descobrir um Buraco Negro?

Para se descobrir um buraco negro procuram-se pistas, tais como:

correntes de gás quente arrancada a uma estrela;

actividade no núcleo das galáxias;

quasares;

explosões de raios gama;

procura de miragens cósmicas;

pesquisa de “rugas” no espaço – ondas gravitacionais;

QuasaresQuasares

Descobertos em 1963 por Maarten Schidt;

Contêm os maiores buracos negros do Universo;

Encontram-se a distâncias interestelares;

A existência de uma grande quantidade de energia numa região tão pequena deve-se à gravidade exercida por um buraco negro supermassivo;

Fig.32 – Quasar no coração de uma nebulosa.

Buracos BrancosBuracos Brancos

Com a versão “tempo – invertida” de um buraco negro, obtemos uma região do espaço tempo onde nada pode entrar – Buraco Branco;

Não existem equações viáveis para explicar o facto da sua existência;

Buracos de MinhocaBuracos de Minhoca Foram descobertos através de equações do campo de Flamm, em 1916;

Jonh Wheeler estudou-os exaustivamente;

Surge da junção de um Buraco Negro com um Buraco Branco

Pensa-se que permitam viagens interestelares entre dois universos diferentes – wormholes transitáveis;

Para as viagens interestelares pensa-se que também existam os túneis de Krasnikov e os modelos de Alcubierre;

Fig. 33 – Buraco negro que dá origem a um "wormhole transitável”.

Fig. 34 – Forças de maré na superfície de um buraco negro estelar.

RelatividadeRelatividade

Newton foi o primeiro físico a descrever a deformação do espaço tempo gerada pelos corpos na ausência de um campo gravitacional – teoria newtoniana.

Einstein reformulou esta teoria dizendo que as Leis da Física são iguais para todos os corpos do Universo;

 Einstein demonstrou que:

E =__Mc2__

(1-v2/c2)1/2

E = energia

M = massa

c = velocidade da luz

v = velocidade do objecto que se move

Um dos grandes princípios da teoria da relatividade é o princípio da equivalência.

Fig.35 – Objectos deformando o espaço-tempo.

Fig. 36 – Representação de alguns corpos como o Sol, uma anã

branca, uma estrela de neutrões e um buraco negro, e a

respectiva deformação no espaço-tempo.

“ Os Buracos Negros são objectos que de

buraco não têm nada mas de negro têm

tudo.”

Autores do trabalho:

Joana Rua

Sérgio Batista

Silvia Lopes

Alunos do 10º ano de Científico-Natural da Escola Secundária do Entroncamento.

Fim