Missão SD-2070-BH

1. Missão SD-2070-BH Uma viagem à escuridão

2. Buracos Negros The Universe’s secret keepers David Sobral, 2004

3. A MISSÃO • Mission Silence and Darkness, projectada para o ano 2070 • A mais ousada missão até à data

4. Uma viagem ao buraco negro RX45356-45 • Situado a 50 anos-luz da Terra • Uma oportunidade para obtermos um conhecimento fantástico sobre alguns enigmas do Universo

5. Utilizará o buraco de verme WH-4883, descoberto perto da órbita de Plutão • SD-2070-BH viaja a altas velocidades, mas com um  baixo • Construído tirando proveito da mais recente tecnologia espacial

6. RX45356-45 tem cerca de 7 massas solares e teve origem numa estrela • Por isso é necessário compreender o que ocorre no interior destas e como se mantêm elas num aparente equilíbrio, tal como responder a diversas questões sobre os buracos negros

7. O que se passa no interior de uma estrela? • Existem duas forças responsáveis pelo aparente equilíbrio • São elas a Gravidade e a Pressão do Calor libertado nas reacções nucleares

8. O Jogo de Forças • Enquanto apressão do calorlibertado nas reacções nucleares se opõe àgravidade, a estrela permanece imutável, a grande escala.

9. Quando a Pressão vence • Se apressão do calorconseguir ser superior à gravidade, a estrela explode e aumenta de diâmetro.

10. Quando a gravidade ganha • Se agravidadeconseguir ser superior à pressão do calor, a estrela colapsa, podendo dar origem a um buraco negro • Quanto mais massa tiver uma estrela, menor será o seu tempo de vida

11. Tipos de Estrelas Quando o colapso gravitacional ocorre, podem formar-se três tipos de estrelas: • Anã branca, se o princípio de exclusão de Pauli se aplicar aos electrões (m  1,4 Mo), r  Terra – 6400 km • Estrela de neutrões, se o princípio de exclusão se aplicar a neutrões e protões (m  ]1,4 ; 3[ Mo), r = 100 km • Buraco negro, se possuir uma massa demasiado grande para formar uma estrela de neutrões (m  3 Mo), r  0 km Mo– massas solares

12. Anã branca Estrela de neutrões Buraco negro

13. Vamos agora viajar pelo Mundo dos Buracos Negros e responder a questões como: • De onde surgiu a ideia de “buracos negros”? • O que é um buraco negro? • Como se forma?

14. The Adventure begins! • De onde surgiu a ideia de “buracos negros”? • Não são fruto da ciência do século XX • A ideia de “estrelas negras”, às quais nem a luz pode escapar, remonta a 1793, com o inglês John Mitchell

15. A ideia permaneceu na escuridão até ao século XX • Albert Einstein apresentou a Teoria da Relatividade Geral • Karl Schwarzschild mostrou-se curioso quanto à forma como a gravidade de uma estrela pode afectar a própria luz Albert Einstein, o génio da Teoria da Relatividade

16. O que é um buraco negro? • Uma forma de uma estrela se “reformar” • Toda a massa da estrela fica contida numa singularidade • A distâncias menores do que a do horizonte de acontecimentos, nem a luz pode escapar

17. Contudo, nem todas as estrelas acabam como buracos negros • Só as que ultrapassam o Limite de Chandrasekhar (3 Mo) • Por isso, o nosso sol não se transformará num

18. Como se forma um buraco negro? • O combustível escasseia e a massa da estrela é superior ao limite de Chandrasekhar • Toda a massa da estrela é contraída, mais e mais, até uma singularidade, de densidade infinita

19. As trajectórias dos raios de luz vão sendo curvadas, até que a velocidade de escape se torna superior a c

20. Se uma estrela em rotação (i) originar um buraco negro, através da Lei da conservação do momento angular (i x i = f x f), sabemos que, como o seu raio vai diminuir muito, a sua velocidade angular vai aumentar bastante, tal como a bailarina que ao fechar os braços roda mais depressa

21. Conteúdos importantes Vamos agora analisar aspectos importantes para o estudo destes mistérios cósmicos

22. Gravidade • É proporcional ao produto da massa dos 2 corpos e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre eles • Em 1915, Einstein mostrou que a gravidade não é uma “força”, mas sim a geometria do espaço-tempo Fg=G(m1m2) r2

23. Perto de corpos como estrelas, ou planetas, o espaço-tempo está mais curvado • Qualquer partícula descreve sempre uma trajectória rectilínea no espaço-tempo curvo • A gravidade propaga-se à velocidade da luz

24. A gravidade não depende da densidade • A presença de massa (ou energia) curva o espaço-tempo • Quanto mais massa possuir um dado corpo, maior curvatura provocará no espaço-tempo E=mc2

25. A gravidade num buraco negro • Os buracos negros não são “aspiradores cósmicos” • A sua gravidade é a mesma da estrela que lhe deu origem (se a massa se mantiver constante), à mesma distância do centro

26. Um buraco negro apresenta, segundo a relatividade geral, uma curvatura infinita do espaço-tempo • Contudo, a uma distância x do núcleo de um buraco negro, um corpo y sente a mesma força gravítica que sentia quando o agora buraco negro era uma estrela normal

27. O Horizonte de acontecimentos • Fronteira imaginária • Distância entre o núcleo do buraco negro e os locais em que a velocidade de escape é superior à da luz • Fronteira negra para lá da qual é impossível voltar, porque nada se move mais rápido do que a luz

28. É tanto maior quanto maior for a massa do buraco negro • É considerado a sua medida de entropia

29. Desvio gravitacional da luz • A luz é composta por partículas, fotões, para além de ser descrita por uma função de onda, e viaja à velocidade c • A gravidade também a afecta, curvando a sua trajectória

30. Este efeito foi previsto por Einstein, em 1915, na sua teoria da relatividade geral e comprovado através de vários eclipses solares

31. Assim, torna-se uma forma de podermos detectar um buraco negro no espaço

32. Efeitos de Maré • Responsáveis: forças de maré • Essas são definidas como as diferenças entre as atracções gravíticas que zonas diferentes de um mesmo objecto sentem

33. Os efeitos de maré são responsáveis pelas marés na Terra

34. A gravidade é mais forte nos extremos em que se verifica maré alta, porque são as zonas que estão mais próximas dos corpos que exercem gravidade • A própria Terra é distorcida por este fenómeno

35. Num buraco negro, estes efeitos teriam graves consequências, caso nos aproximássemos demasiado do horizonte de acontecimentos • A diferença da gravidade sentida numa ponta do corpo e na outra distorcia-nos e ficávamos como esparguete!

36. Ondas gravitacionais • Geradas pela oscilação de objectos maciços • Muito difíceis de detectar • São perturbações que percorrem o espaço-tempo

37. Previstas pela relatividade geral • Propagam-se como as ondas que um objecto provoca ao cair num tanque • Podem provocar uma distensão na estrutura dos objectos

38. A ondas gravitacionais diminuem com a distância à fonte, a uma taxa um pouco inferior à da gravidade • Num buraco negro em rotação, devido ao seu risco, não se aconselha que se chegue muito perto!

39. Disco de Acreção • É constituído por matéria e/ou radiação, que roda em torno do buraco negro • Buracos negros em sistemas binários possuem um maior disco de acreção

40. Buracos negros super-maciços, como aqueles que se pensam existir no centro das galáxias, têm discos de acreção gigantes

41. Neste caso, o disco de acreção é formado pela matéria que o buraco negro, através da força de maré, “rouba” à estrela companheira e que vai “mergulhando” em direcção ao seu interior

42. Quanto mede o raio de um buraco negro? • Devido ao contributo de Shwarzschild, podemos determinar o raio de qualquer buraco negro não-rotativo, desde que saibamos a sua massa. • R = 2 GM • R é o raio do buraco negro • G a constante universal de gravidade, (6,67 x 10-11 N.m2/Kg2) • c é a velocidade da luz (3 x 108 m/s) • M é a massa do buraco negro c2

43. O que se pode medir num buraco negro? • Quando um buraco negro se forma, todas as características dos materiais deixam de ter importância • Na verdade, apenas 3 grandezas servem para estudar um buraco negro: • Massa • Momento angular • Carga eléctrica

44. Tipos de buracos negros • Existem basicamente 3 tipos de buracos negros, quanto à sua “anatomia”, e 3 quanto à origem

45. Buracos negros sem rotação e sem carga eléctrica • Foram estudados pelo canadiano Werner Israel, em 1967 • Os mais simples • Perfeitamente esféricos, mesmo que tenham origem em estrelas que o não sejam

46. São descritos por uma solução das equações de Einstein conhecida desde 1917, por Schwarzschild • Tamanho depende apenas da massa

47. Buracos negros de Reissner-Nordstrom (sem rotação) • Forma esférica • Sem rotação • Com carga eléctrica • Responsáveis: Hans Reissner e Grennar Nordstrom, físicos alemão e holandês

48. Buracos negros com rotação ou de Kerr • Estudados, em 1963, pelo neozelandês Roy Kerr • Rodam a velocidade constante • Tamanho e forma dependem apenas da massa e da velocidade de rotação Roy Kerr

49. Quando a velocidade é nula são iguais aos estudados por Israel • Qualquer corpo em rotação que entre em colapso gravitacional e se torne num buraco negro, acabará por se tornar num descrito pela solução de Kerr

50. Buracos negros no centro de galáxias • Não consistem em singularidades • Muitas vezes menos densos do que a água • Contudo, pela grande quantidade de matéria, exercem uma enorme atracção gravitacional e forma-se um horizonte de acontecimentos