Buracos Negros

1. Buracos Negros

2. 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);

3. ? 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;

4. Como se descobriu o primeiro Buraco 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;

5. 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.

6. A Geometria Euclidiana e os Buracos Negros ? 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.

7. A 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:

8. Fig.2 – Fases da evolução de uma estrela. 1 – Nuvem de gás; 4 – Maturidade; 2 – Estrela embrionária; 5 – Gigante Vermelha; 3 – Combustão Solar;

9. 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;

10. 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;

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

12. 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.

13. ?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.

14. ? 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.

15. Fig.8 – Anatomia de uma estrela de neutrões.

16. Fig.9 – Esquema da evolução estelar. Fig. 10 – Representação de um buraco negro, estrela de neutrões e de uma anã-branca.

17. 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.

18. Anatomia 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.

19. ? 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.

20. Algumas galáxias onde se pensa existir buracos negros... Fig.15 – Galáxia de Andrómeda.

21. Fig.16 – Nebulosa de Caranguejo.

22. Fig.17 – Nebulosa de Cisne.

23. Fig.18 – Nebulosa Carina.

24. A 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.

25. 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.

26. 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.

27. A Esfera de Fotões ?É nesta esfera que os fotões orbitam o Buraco Negro. Fig.22 – Esfera de Fotões de um Buraco Negro.

28. Força 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.

29. Discos 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.

30. Fig.24 – Discos de acreção

31. O 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.

32. 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;

33. Qual o tamanho de um buraco negro?

34. 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.

35. Radiação 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.

36. 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.  

37. Raio 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)

38. 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.

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

40. Tipos de Buracos Negros ?Podem-se classificar, conhecendo: ? momentum angular (medida da sua rotação) ? carga eléctrica ? massa Buracos Negros Estelares Buracos Negros Supermassivos

41.  Velocidade de Escape Gráf.1 e 2 - Representação da trajectória de uma bola lançada da superfície de um planeta.

42. 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

43. 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.

44. Explosão 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;

45. 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;

46. Quasares ? 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.

47. Buracos 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;

48. Buracos 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;

49. Fig. 33 – Buraco negro que dá origem a um "wormhole transitável”. Fig. 34 – Forças de maré na superfície de um buraco negro estelar.

50. Relatividade ?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

51. ? 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.

52. “ 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.

53. Fim