John Wheeler, o guru dos Físicos Relativísticos

“Embora em alguns casos, sejam os computadores que decidam pelo sim ou não…é a partir de uma pequena porção que cada partícula, campo de força…ou ‘espaçotempo’      em si…cria sua função…o seu significado; sua própria existência”. (John A. Wheeler)

John Wheeler (1911-2008)

John Wheeler (1911-2008)

John Archibald Wheeler foi um físico teórico notável. Um dos últimos a conviver cientificamente com Albert Einstein, tentando dar continuidade ao seu sonho da construção de uma…”teoria do campo unificado. Segundo suas palavras em 1962: “Campos e partículas são estranhas entidades imersas em geometria… – ou, não são nada, além de ‘geometria’… – Não há nada no mundo além de espaços curvos vazios. Matéria, carga, eletromagnetismo… – ‘campos‘… – não são mais que expressões da curvatura espacial. Física é geometria!”      A forma como conclui esta frase…”física é geometria“,      é testemunho, das ideias que o levaram a envolver-se com Charles Misner e outros colegas, num projeto de geometrização da física (‘Geometrodinâmica’) que se identifica com a perspectiva de Albert Einstein, e sua teoria da gravitação…a ‘Teoria da Relatividade Geral’.

Horror ao “colapso gravitacional”

John Wheeler é conhecido por ter sido o físico que definiu o termo ‘buraco negro‘ para denotar o estágio final de colapso de estrelas com massa superior a 3 ‘massas solares’, do qual nem mesmo a luz pode escapar. – Antes de Wheeler ter criado a designação dizia-se que o colapso gravitacional de uma estrela dava origem, ao que se denominava ‘estrelas congeladas (“frozen stars”) expressão especialmente popular, entre a comunidade dos físicos soviéticos, liderados por Yakov Zeldovich. – Inicialmente, Wheeler não acreditava na possibilidade do ‘colapso gravitacional’ de uma estrela originar tais estranhos objetos: estrelas mortas com densidade tão grande… – que em seu centro…o espaço se encurvava infinitamente. Como nessas ‘singularidades’ as leis físicas são violadas, nada se conserva.

Após o colapso…apesar de toda massa desaparecer na singularidade, tanto o campo gravitacional, quanto a curvatura do espaçotempo… permanecem atuando indefinidamente. – No caso mais simples de um buraco negro com simetria esférica, após o colapso, fica um campo gravítico estático e eterno.

A princípio, Wheeler resistiu a esta conclusão, apresentada em 1939, por J. R. Oppenheimer.  Aliás, a recusa de Wheeler em aceitar – nessa época, estas ideias… não é de surpreender…O próprio Einstein, nesse mesmo ano, escreveu um artigo tentando provar a ‘impossibilidade’ de uma estrela colapsar – ao ponto de atingir um raio igual ou inferior…ao dito… “raio de Schwarzschild (2Gm/c²)  que define a dimensão de um “buraco negro” de massa m. Mas, aí… por acaso — Einstein estava errado.

Mais tarde, em 1958…em uma conferência na Bélgica, Wheeler manteve forte discussão com Oppenheimer, por considerar que a ‘teoria do colapso’ não poderia estar certa, pois não dá uma resposta aceitável para o destino da matéria da estrela…Para ele, não era razoável que as leis da física conduzissem a uma singularidade, onde essas próprias leis eram violadas…Em suma, para Wheeler isso significaria que a aplicação da física levaria    à sua autodestruição. – Outros grandes físicos teóricos, como A. Eddington e L. Landau, usaram esse mesmo raciocínio, ao recusar a ideia de um colapso gravitacional completo.

O despertar relativístico

John Wheeler começou sua vida científica como físico nuclear… tendo estudado com Niels Bohr em Copenhagen, Dinamarca. Quando Bohr chegou aos Estados Unidos em 1939 e lhe confidenciou que cientistas alemães tinham obtido a cisão dos átomos de urânio…Wheeler se dispôs, imediatamente, a trabalhar no assunto com Bohr… e, dentro de poucas semanas tinham arquitetado um esboço da teoria de como funcionava a fissão nuclear… – Nos anos seguintes trabalharia na construção das 1ªs bombas atômicas…na equipe de Oppenheimer.

É é só em 1952 que Wheeler começa a se voltar para a teoria da gravitação de Einstein, não muito popular nessa altura – pois a grande maioria dos físicos estava empenhada nas aplicações da Mecânica Quântica… à Física Atômica e Molecular, à Física Nuclear, e às teorias Quânticas de Campo… – Recorde-se que a teoria da Eletrodinâmica Quântica, por exemplo…tinha sido desenvolvida, ao final dos anos 40… pelo físicos Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger, e Richard Feynman – sendo que este último…antigo aluno de Wheeler.

Einstein e Wheeler em Princeton - 1954

Einstein e Wheeler em Princeton – 1954

Ao promover o estudo da ‘Relatividade Geral’, criada por Einstein em 1915, Wheeler terá um papel fundamental nos anos 60… — em pleno ressurgimento da teoria. Ainda nesse período, Dennis Sciama – Universidade de Cambridge, Hermann Bondi – em Londres… e Borisovich Zeeldovich – Moscou, também contribuiriam bastante para este propósito… Naturalmente,  que tal renascimento se inspirou em grandes incrementos teóricos…iniciados nos anos 60, acompanhados de observações astronômicas.

OExperimento Pound-Rebka” publicado em março de 1960… na “Physical Review Letters”,  como “O Peso Aparente dos Fótons”, por exemplo, descreve a 1ª medida laboratorial bem sucedida da mudança frequencial da luz – por influência do campo gravitacional da Terra.  Alguns meses mais tarde, no número de Junho/1960 da revista “Annals of Physics“, surge um artigo assinado pelo físico-matemático inglês Roger Penroseintitulado Tratamento Spinorial da Relatividade Geral”. – Embora se tratasse de um artigo com um formalismo matemático pesado, delineava uma ‘técnica de cálculo’ elegantíssima para resolver alguns problemas de “relatividade geral”… Este foi um dos primeiros passos no sentido de tornar mais simples…e compreensíveis – muitos dos morosos e complexos cálculos relativísticos.

‘Quasares’… abrindo horizontes

Ainda em 1960…têm início as observações levadas a cabo pelos astrônomos Thomas Mathews e Allan Sandage, com o telescópio de 200 polegadas do Monte Palomar, da    fonte de rádio 3C48…Estavam interessados em estudar sua radiação visível emitida,      e…com tal propósito, tiraram uma ‘chapa fotográfica’ da zona do céu no seu entorno.  Esperavam encontrar um ‘enxame de galáxias’… com a localização da fonte de rádio,      mas não foi isso que observaram… – A análise da chapa parecia indicar que o objeto      afinal tinha dimensões de uma estrela, mas não era uma estrela vulgar…pelo menos,    nada comparável a qualquer outra conhecida…Seu espectro tinha cores anormais, e apresentava grandes e rápidas variações de brilho. Era portanto, uma fonte de rádio        que parecia do tipo “estelar” (apesar das estrelas normais não serem fontes intensas          de rádio); mas que pelo tipo e variabilidade do seu espectro não parecia uma estrela.    Daí…que fosse designada fonte de rádio “quase estelar” … ou, quasar (abreviando).

A descoberta dos quasares catapultou a relatividade geral imediatamente para a fronteira da astronomia… — Sendo que,  a seguir… foram — encontrados objetos semelhantes, como o 3C273…Em 1963, Martin Schmidt do Observatório Monte Wilson descobriu que riscas de emissão espectrais do ‘3C273’ apresentavam um “deslocamento” de 16%, no sentido dos maiores comprimentos de onda

Posteriormente…para o 3C48, mediu-se um “deslocamento para vermelho” ainda maior, da ordem de 30%. Com efeito…os grandes deslocamentos para o vermelho dos espectros dos quasares, mostram que eles se afastam de nós com grandes velocidades; cerca de 30% da velocidade da luz – no caso do 3C48… – o que corresponde uma distância da ordem de 6 bilhões de anos-luz.

Estando os quasares tão distantes, seria de se esperar que fossem objetos com fraco brilho. Mas – pelo contrário – os quasares são objetos extremamente brilhantes – tanto na parte visível…como na de ondas de rádio do espectro. – Portanto, a sua luminosidade intrínseca deve ser enorme… O 3C48 é cerca de 100 vezes mais luminoso que a nossa galáxia. Qual a origem de uma fonte tão poderosa? Como se explicam suas rápidas variações de brilho?

À escala cósmica, a gravidade é a interação dominante, por isso é provável                      que a resposta esteja na existência de “campos gravitacionais” gigantescos,                      com concentrações da ordem de 100 milhões de massas solares confinadas                          a uma região de talvez 1 hora-luz (cerca do diâmetro da órbita de Júpiter).

‘Estrelas de neutrons’e, enfim… ‘buracos negros’

A descoberta dos quasares deu origem à criação de uma nova área da física. Em Dezembro de 1963 – em Dallas / EUA… teve lugar o 1º simpósio sobre esta nova disciplina designada Astrofísica Relativística…Para esta conferência foram convidados astrônomos, físicos e matemáticos, de modo a proporcionar um debate amplo, capaz de reunir as experiências e conhecimentos diversificados destas 3 áreas do saber. (Um dos temas aí discutidos, foi a chamada ‘solução de Kerr‘… que hoje sabemos descrever um buraco negro em rotação.)

No entanto, a comunidade científica só veio a aceitar a ideia de ‘buraco negro‘ associado ao “colapso gravitacional”…depois de uma outra descoberta…No final de 1967, os astrônomos Jocelyn Bell, e Anthony Hewish descobriram um novo tipo de estrela — a qual chamariam pulsar, pela emissão regular de impulsos de ondas…em “radiofrequência“… – Se trata de  estrelas muito compactas — cujos diâmetros se limitam a poucas dezenas de quilômetros, com uma rotação característica em torno de seu eixo de muitas vezes por segundo. – Sua compactação é tão grande…que destrói seus próprios átomos…os reduzindo afinal, a um ‘ultra-viscoso’… – “plasma de neutrons“.

Estrelas de neutrons” parecem estar na iminência de uma catástrofe espetacular… A gravidade à sua superfície é tão grande… — que se tal estrela acumular mais de 3 massas solares, será incapaz de encontrar uma estrutura de equilíbrio…colapsando numa fração de segundo…A explicação para este intrigante fenômeno reside na violenta curvatura do espaço…que traduz a crescente intensidade da gravidade – numa estrela em colapso… À medida que o raio da estrela se reduz, imediatamente a curvatura do espaço à superfície      da estrela se torna suficientemente forte para encurvar os raios luminosos … retendo-os em torno da estrela. Quando nem a própria luz consegue escapar desse campo gravítico, ela se transforma num verdadeiro… – “buraco negro… – vagandosolto” no espaço. 

j.wheeler

‘Gran Finale’

Interessante constatar que é precisamente em 1967… que Wheeler assume definitivamente o conceito de buraco negro, com tudo o que isso implica…Embora pelo menos desde 1965, que já trabalhava nas consequências do “colapso gravitacional“, nos trabalhos desenvolvidos com Kip Thorne, B. Harrison… e, M. Wakano.

Terminamos esta homenagem à memória deste grande físico…lembrando do livro, considerado por muitos… – como a ‘Bíblia’ dos relativistas…

Gravitation”,  escrito em colaboração com 2 dos seus antigos alunos… Charles Misner, e Kip Thorne… em 1973, é sem dúvida um dos livros de maior influência na formação dos relativistas nos últimos 35 anos… — e,  “A Journey into Gravity and Spacetime”  de 1990, o grande livro didático, que o grande público da língua portuguesa ainda aguarda (urgentemente) uma boa tradução. ## Paulo Crawford ## (‘texto base’ – Abril/2008).

fontes p/consulta:  ‘O eclipse que confirmou Einstein’ ‘Wheeler e a física no Brasil’  **********************************************************************************    O espírito inquieto de John Wheeler se credita a uma profunda reflexão sobre o papel do observador na mecânica quântica – incluindo aí, a ideia de uma “criação coevolutiva” do universo e da consciência…(às vezes encontrada em suas referências aos escritos da filosofia hindu); e também na (premonitória) especulação filosófica de situar na ‘teoria da informação‘ as raízes das leis físico (quânticas)…Mesmo atormentado pelo desafio     da mente em compreender toda complexidade do universo – crê na capacidade humana para descobrir seus segredos, de um modo participativo… pela informação.  (j. wheeler)   *********************************************************************************

turbilhão

Por dentro do Turbilhão (Paul Halpern)

A teoria da relatividade geral de Einstein previu “buracos negros (termo designado pelo físico John Wheeler na década de 60) como corpos tão densos, que causariam uma enorme deformação no ‘espaçotempo‘ à sua volta… criando um ‘poço gravitacional’ tão profundo, que qualquer objeto que nele caísse se pulverizaria no esquecimento.  Fugir de um “BN” só seria possível estando fora do domínio de seu… – ‘horizonte de eventos‘.

Para os que nele penetrassem, espaço e tempo deixariam de existir, dando lugar a um ‘beco sem saída’ matemático… denominado “singularidade“.

Ao descrever a exótica natureza desses corpos celestes… – Wheeler identificou 3 atributos fundamentais…massa, carga, e momento angular. Masem termos termodinâmicos, uma questão se sobressaía. Embora ninguém possa afirmar, com absoluta certeza que o Universo seja um ‘sistema fechado’, razoavelmente de acordo com a 2ª lei termodinâmica, pode-se esperar que sua quantidade total de desordem (entropia) não diminua… Todavia, segundo Wheeler…seria possível enganar esta 2 lei – canalizando o material desordenado para dentro de um “buraco negro”… Estes, assim… inverteriam o sentido termodinâmico, diminuindo a entropia total do Universo. A propósito, em 1972, o físico Jacob Bekenstein, em vez de contornar a termodinâmicaresolveu estendê-la – igualando a entropia de um BN à área de seu horizonte de eventosDessa forma, a soma total da entropia da matéria com a do buraco negro nunca reduziria…preservando-se portanto a 2ª lei termodinâmica.

Bekenstein demonstrou assim que a área do buraco negro serve como limite superior da maior quantidade de…”informação”…que este pode armazenar…a qual é inacessível, a tudo o que está do seu lado de fora.

Podemos então, pensar na informação como uma forma de codificar todos estados de todas partículas e forças, em um ‘conjunto mínimo de valores’…que possa descrever as propriedades de todas partículas sub-atômicas, dentro de um objeto; inclusive o modo como estas interagem umas com as outras. — À medida que o BN engole matéria, suas informações tornam-se indisponíveis e sua área se expande. Desse modo, acumulação        e destruição da informação no BN se manifestam como crescimento. Por outro lado,      ao aplicar mecânica quântica…Hawking deu uma nova solução ao problema (a famosa “radiação de Hawking”). – Por ela, o BN perderia massa gradualmente no processo de ‘tunelamento quântico’ das partículas/antipartículas virtuais do vácuo quântico.

O ‘princípio holográfico’ supõe que os exteriores das regiões espaciais de um ‘BN‘, ou   do universo como um todo…incorporam a ‘informação‘ contida em seus interiores – ao codificá-la sobre sua ‘superfície espacial‘ (para os BNs…seuhorizonte de eventos‘). O conteúdo máximo de informação do BN portanto, é proporcional à sua área de superfície,   e não ao seu volume. Este princípio aplicado à cosmologia, sugere que todas informações sobre o universo estão contidas no seu ‘horizonte observável… Como – por definição… é impossível ver mais longe que o observável, em certo sentido o espaço além do horizonte cosmológico…é como o interior de um ‘buraco negro’. (do livro “Fronteiras do Universo”)  ***********************************************************************************

Na boca de um “buraco negro”

Telescópios terrestres e espaciais têm confirmado a existência de “buracos negros“. Os mecanismos pelos quais estes ‘objetos‘ absorvem tudo aquilo que passa perto…tornaram-se menos misteriosos… a partir de um trabalho realizado no…”Instituto de Física” da UFRGS, onde Thaisa Bergmann, que coordenou o estudo relata um… “BN supermassivo” devorando matéria        bem no centro da galáxia ‘NGC 1097’.

A equipe de Thaisa reconstituiu o que se passa no centro da galáxia espiral NGC 1097, a 60 milhões de anos-luz da Terra – e confirmou lá – a existência de um BN supermassivo, com massa equivalente a pelo menos 1 milhão de sóis – formado, provavelmente… pelo colapso de nuvens de gás, ou de aglomerados estelares, com milhões de estrelas. Já que um buraco negro não pode ser detetado diretamente (apenas por efeitos sobre objetos próximos)…foi centrado o foco na luz emitida pelo…”disco de acreção“… nuvem achatada em forma de espesso anel de plasma (prótons/elétrons) e hidrogênio…girando ao redor do BN. A partir dessas informações…a equipe visualizou os processos de nascimento, evolução e morte do disco de gás, ocupando uma área equivalente ao dobro da órbita da Terra em torno do Sol.

Cálculos iniciais indicam que a cada segundo o super buraco negro engole cerca de 100 quatrilhões de toneladas de gás do disco por dia, ou 2 Terras.

Ao que tudo indica, o disco de gás surgiu quando uma ‘estrela’ chegou muito perto do buraco negro…e foi capturada por ele. A estrela, a seguir, foi desmanchada pela ação da “força de maré” do buraco negro.  Essa força age com intensidade diferente nas várias partes de um corpo… atraindo o lado próximo – com maior intensidade do que — todo o conteúdo mais distante.

Desmanchada a estrela — restou uma nuvem de gás… que formou um disco        de acreção…ao redor do buraco negro.

Em 1991, quando começou a investigar a emissão de luz do núcleo dessa galáxia… Thaisa encontrou o quadro típico de uma captura de estrela relativamente recente. Ela observou   a emissão da região externa do disco formado a partir da estrela capturada na linha Hα –   a linha de emissão de energia mais intensa do átomo de hidrogênio… – e constatou que o gás girava a 10 mil quilômetros por segundo (km/s). Então, concluiu…essa velocidade do gás só poderia ocorrer em um disco em torno a um buraco negro que tivesse a massa de 1 milhão de sóis… – Nascia assim…a hipótese que seria confirmada nos dez anos seguintes.

Thaisa mostrou que ocorre um aquecimento das regiões centrais do disco, que começam a emitir radiação de alta energia – como raios X, num processo que dura pelo menos alguns séculos. A parte interna do disco é mais quente que as periféricas devido à fricção entre as partículas atômicas … a temperatura interna pode chegar a milhões de graus Celsius (ºC), enquanto na periferia, de onde saem emissões de luz na linha Hα, é de cerca de 10 mil ºC.

O interior do disco se expande devido à alta temperatura…e cria uma estrutura toroidal, em forma de rosca … em volta do horizonte de eventos… – superfície imaginária … que define a fronteira além da qual – nem a luz escapa. Essa estrutura emite fótons que, ao bater nas partes externas do disco, excitam o hidrogênio e produzem a emissão do tipo H-alfa – observada desde 1991… A matéria do disco: prótons/elétrons – parte interna; átomos de hidrogênio na parte externa; se divide ao chegar nesse limite, com metade engolida pelo BN, e metade expelida sob a forma de jatos, cuja emissão é captada em “ondas de rádio”…O disco assim se desfaz, num tempo estimado… acima de mil anos.

Esse fenômeno ocorre na galáxia, em média…a cada 10 mil anos;                  sendo esta a primeira vez que presenciamos… tão nitidamente, a                    captura de matéria dentro da…”região central”…de uma galáxia. 

A conversão de matéria em energia…por meio da absorção por um buraco negro…tem uma eficiência muito maior do que as reações nucleares nas estrelas… – 10% da massa engolida é convertida em energia – enquanto em reações nucleares, o limite é 0,7%. Essa conversão pode explicar a grande emissão de energia em núcleos galáticos ativos…como a NGC 1097.  Mas esse não é o fim da história…À medida que o buraco negro se alimenta de mais e mais matéria, amplia-se o horizonte de eventos, cujo raio mede hoje, cerca de 3 milhões de kms, ou 2 centésimos da distância entre Terra e Sol. Nesse espaço há uma massa equivalente a 1 milhão de sóis, que Thaisa havia calculado em 1997. Capturando estrelas individuais, o BN poderia até mesmo dobrar de tamanho…mas muito lentamente – daqui a 1 bilhão de anos.

A definição do processo de emissão de luz do disco da NGC 1097 foi o “sucesso” da equipe. Eles converteram o comprimento de onda da luz em velocidade do gás — construindo um gráfico com uma linha de 2 picos –- um para a velocidade máxima de aproximação da luz em relação à Terra, outro para a máxima de afastamento. Tecnicamente é o perfil de ‘pico duplo’ da linha de emissão H-alfa, também chamado de “assinatura cinemática” do disco, demonstra a existência do…”disco de acreção“… – e das transformações por que passa.

Thaisa consegue ver a emissão de ‘H-alfa’ que chega da parte mais externa e fria do disco…Ao longo dos anos, entretanto, ela percebeu a emissão migrar…para regiões girando a velocidades cada vez maiores…

Como o disco apresenta um movimento kepleriano (assim como os planetas), as regiões mais internas e próximas do BN central movem-se em velocidade maior que a das bordas.

O deslocamento do foco de emissão de luz ocorre porque…perdendo energia, a parte interna esfria…de modo que a radiação já não é tão intensa e atinge distâncias cada vez menores.

Em 1991, a luz emitida pelas partes mais externas do disco tinha uma velocidade de 3 mil km/s… – só um centésimo da velocidade da luz. – Já no início deste ano, como a fonte de fótons foi ficando mais fraca, e atingiu menores distâncias no disco…foi possível registrar   a luz que vinha de partes mais internas…com velocidade de 6 mil km/s. Estima-se que na borda interna do disco emissor de Hα… a velocidade das partículas chegue a 15 mil km/s, enquanto à beira do buraco negro as partículas girem a 300 mil km/s (velocidade da luz).

O fato de termos encontrado velocidades tão altas – é sinal da presença de uma estrutura supermassiva no centro da galáxia. As velocidades máximas registradas para os discos de gás em rotação no centro de galáxias sem buracos negros, são de apenas 250 a 300 km/s. Velocidades de rotação da ordem das detetadas, de milhares de quilômetros por segundo, só podem ser produzidas pela interação com milhões… — ou bilhões … de massas solares concentradas em um lugar muito pequeno…ou seja, um buraco negro supermassivo.

Com 1 milhão de massas solares, o buraco negro da NGC 1097 impressiona, mas não é dos maiores já encontrados…Físicos que trabalham com o ‘Chandra‘…telescópio de raios X da NASA relataram a descoberta de uma estrutura bem mais massiva…um buraco negro com cerca de 10 bilhões de massas solares no centro de quasares (‘galáxias em formação’) mais distantes já encontrados… a 13 bilhões de anos-luz da Terra. – Acredita-se que estes ‘BNs’ supermassivos tenham se formado junto com suas próprias galáxias “hospedeiras”, pois a massa estimada para eles… – pelas observações do ‘Hubble’… – é proporcional aos ‘bojos’ (região esférica central) de suas galáxias…Contudo, ainda não há indícios de um ‘disco de acreção’ no centro da Via-Láctea. – Talvez não exista suficiente matéria lá sendo engolida pelo buraco negro central para formar um disco…como na NGC 1097. (texto base) (2002)  ***********************************************************************************

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Por dentro dos BNs  (junho/2010)  “Singularidade é ‘algo‘…que se torna        ‘alguma coisa‘…infinitamente grande”.

Produzidos a partir da implosão de estrelas massivas – “buracos negros” são poços tão profundos no tecido do ‘espaçotempo’que nada, nem mesmo a luz pode deles escapar.  O centro de um deles… — é o que os físicos chamam ‘singularidade‘; um ponto onde são esmagadasenormes quantidades de matéria, para dentro…de reduzido ‘espaço’.

“Tecnicamente esse ‘algo’ de uma singularidade é a ‘curvatura do espaço’; ou a forte gravidade observada na presença de… ‘corpos massivos’ — como planetas e estrelas. Similar à forma como uma ‘cama elástica’ afunda… em torno à uma bola de boliche, objetos massivos encurvam o ‘espaçotempo’ em torno deles – e assim, quanto mais massivo…mais íngreme a curvatura será”diz a física teórica Sabine Hossenfelder.

gravidade

De acordo com as teorias de Einstein, em nenhum lugar este efeito é maior, do que entorno a um “buraco negro”, cujo centro assumiria uma curvatura infinita. Como um buraco sem fundo na cama elástica – a gravidade se faz infinitamente maior … à medida que  os objetos caem…para o seu interior.

Enquanto a matéria colapsa em um buraco negro, sua densidade torna-se infinita – para que possa caber em um ponto – que, de acordo com as equações…é tão pequeno que não tem dimensões… Sobre isso, alguns cientistas têm-se perguntado se as equações teóricas que descrevem os buracos negros estão corretas…ou seja, se eles realmente existem…Na verdade, ninguém pode afirmar que essa “singularidade” descreva uma “realidade física”. Mas para a maioria dos físicos, como teorizada por equações, ela na realidade não existe.

Se, por acaso, ela existisse na vida real,  isso então significaria que a densidade de energia poderia ser infinitamente grande em um ponto – exatamente, no centro do buraco negro. No entanto, ainda sem uma completa teoria quântica da gravidade … ninguém pode ter certeza sobre essa questão… – pois, até agora… é impossível observar dentro dos BNs***********************************************************************************

bn

Os “cabelos” dos buracos negros são uma metáfora para conexões que o objeto estabeleceria com o espaço ao seu redor e com o Universo como um todo.

Buraco Negro (cabeludo) 

Um buraco negro é um conceito simples… pelo menos de acordo com a hipótese de Roy Kerr…    que, em 1963, propôs um modelo limpo do buraco negro…que é o atual paradigma teórico.    Da teoria para a realidade – contudo, as coisas podem ser bem diferentes…Os buracos negros        por exemplo … podem ser muito mais “sujos”          do que se acreditava.

De acordo com o ‘modelo tradicional’… buracos negros são definidos por apenas 2 grandezas…a massa, e momento angular (a velocidade de rotação do buraco negro). Nesse modelo, assim que uma estrela de massa elevada implode…ao final do seu ciclo de vida, toda a sua memória é perdida para sempre. Tudo o que resta então, é    um buraco negro “tranquilo“… – praticamente isento de qualquer outra ‘característica’… além      da massa e momento angular.

Porém, de acordo com um grupo de cientistas liderado por Thomas Sotiriou, da Escola Internacional de Estudos Avançados, na Itália, as coisas não são exatamente assim…“Os buracos negros, de acordo com nossos cálculos, podem ter cabelos”, explica ele… – ao se referir a uma declaração bem conhecida do físico John Wheeler, de que “buracos negros não têm cabelos” … considerando que nada poderia escapar de seu horizonte de eventos.

Embora o “modelo careca” de Kerr seja consistente com a Relatividade Geral… ele pode não ser compatível com algumas extensões conhecidas da teoria de Einstein, chamadas “teorias tensor-escalar”…e acrescenta Sotiriou… – “É por isso que fizemos uma série de novos cálculos que nos permitiram focar na matéria que normalmente envolve buracos negros realistas; aqueles observados na astrofísica. Esta matéria obriga o buraco negro puro e simples – da hipótese de Kerr, a desenvolver uma nova ‘carga’ (cabelo…como a chamamos) que o ancora à matéria circundante…e, provavelmente…a todo o universo”.

A confirmação experimental desta nova hipótese, pode vir a partir das observações com interferômetros, instrumentos que seriam capazes de registrar ‘ondas gravitacionais‘. E conclui o pesquisador…“Segundo nossos cálculos…o crescimento do cabelo em buracos negros vem acompanhado pela emissão de ondas gravitacionais específicas…No futuro, experimentos poderão desafiar o ‘modelo de Kerr’, ampliando nosso conhecimento das origens da gravidade — em termos de estudos sobre buracos negros”. texto base (2013)  *********************************************************************************

Buraco Negro – iniciação teórica (abr/2019)                                                                          “A matéria diz ao espaço como se curvar. Este diz à matéria como se mover”. (J. Wheeler)

Um buraco negro não é um objeto, tipo estrela, ou planeta…Um buraco negro, na verdadeé um ‘evento’ no espaço-tempo, “distorção quadridimensional”conceito criado por Herman Minkowski e adotado por Einstein, na formulação da sua teoria da ‘relatividade’ (tanto a especial, quanto ‘geral’). – O espaço-tempo de Minkowski combina as 3 dimensões do espaço…com uma 4ª dimensão adicional… — o tempo, assumindo a ideia de que o espaçobem como o tempo, não são estágios passivos sobre os quaisos “eventos do universo” se desenrolam. Esses eventos em se tratando de ‘relatividade geral’, moldam    o espaço e…são por este influenciados.

Essa ideia não é apenas central para a relatividade…É fundamental à noção do que realmente é um “buraco negro”, e o efeito que eles exercem no Universo, ao seu redor. E quando se trata de buracos negros… esse efeito é espetacular… — A analogia mais frequentemente usada, é      a de colocar … objetos numa folha de borracha esticada; quanto mais pesado      o objeto, mais profunda a “cavidade”, e mais extrema a ‘curvatura‘ que ele cria.

Estrelas Negras e velocidades de escape

Embora o termo “buraco negro” tenha sido empregado apenas na década de 1960, as especulações sobre objetos com as propriedades agora a eles associadas surgiram muito mais cedo… – Mesmo antes do surgimento da ‘relatividade geral’ em 1916 – a gravidade newtoniana já havia criado especulações em torno da ideia de uma ‘estrela escura’ – um corpo tão denso que nem a luz teria a velocidade necessária para escapar de sua atração.

Para um corpo esférico de massa M e raio R, de acordo com as equações de Newton, um projétil de massa m precisaria de energia cinética igual à energia potencial gravitacional fornecida por GMm/R, onde G é a constante gravitacional de Newton. Essa energia terá que vir da velocidade de escape da partícula no momento do lançamento…Sendo assim:

Para um planeta do tipo Terra – em termos astronômicos, isso significa uma velocidade de escape mediana, já que a massa da            Terra não é muito grande, além do que seu raio não é pequeno.

Mas essa ideia levou à se especular, se poderia haver um objeto tão massivo, com um raio tão pequeno… — que nem mesmo a… luz… tivesse velocidade suficientepara conseguir escapar  de seu efeito gravitacional. Tal estranho corpo deveria então…possuir um…Raio < 2GM/c².

John Michell e Pierre-Simon Laplace, independentemente, sugeriram, no século 18,        que esse objeto capturaria efetivamente a luz… sendo portanto – totalmente escuro.        Essas ideias, de fato, têm pouco a ver com os buracos negros… como concebidos na relatividade geral, mas os conceitos são muito similares…Isso nos leva a perguntar:              O que foi na relatividade geral que primeiro sugeriu a existência do ‘buraco negro’?

Singularidade: raio de Schwarzschild; horizonte de eventos                                      O ‘horizonte de eventos’ de um buraco negro é sua superfície de “mão                                  única”…limite da distorção no espaço-tempo…do qual não há retorno. 

Pouco depois de Einstein apresentar seus “tensores de campo, que lançaram as bases para a relatividade geral (a teoria geométrica da gravidade), ele ficou surpreso quando        em pouco tempo foi achada solução para essas equações incrivelmente complexas O responsável por essa solução foi o astrofísico Karl Schwarzschild…que estava servindo        na Frente Oriental da Primeira Guerra Mundial…quando fez sua descoberta em 1916.

A ‘solução de Schwarzschild’…como assim ficou conhecida – descrevia a geometria do espaço-tempo de uma região vazia do espaçoTinha duas características interessantes – duas singularidades…uma singularidade    coordenada, e outra…gravitacional.

Ambas assumem importância                    no estudo de ‘buracos negros’.

A singularidade gravitacional em r = 0 situada no centro de um buraco negro, é uma verdadeira singularidade. É nesse ponto que todas as partículas que caem num buraco negro acabam indo É também o ponto em que as equações do campo relativístico de Einstein colapsam…E talvez…até todas leis da física. As coordenadas da singularidade    em r = Rs = 2GM/c² – referido como “raio de Schwarzschild” (Rs) – normalmente cai dentro do raio (r) de um corpo astronômico. Desse modo, tomando o Sol por exemplo,    Rs ocorre em cerca de 3 km … em comparação com um raio total de 0,7 milhão de km.

Num buraco negro padrãoo ‘raio de Schwarzschild’ marca a localização do                  horizonte de eventos… divisão entre os eventos que podem ser vistos por                  observadores distantes, e aqueles que não mais serão vistos… Nenhum sinal                      pode passar por ele…assim como nenhuma luz pode dele escapar. Por outro                    ladoquando um corpo encolhe em um raio menor que o de Schwarzschild,                      ele se torna um…”buraco negro”. – Mas como será que isso pode acontecer?

Criando um BN: colapso gravitacional; limite de Chandrasekhar

As equações da relatividade geral oferecem a possibilidade de um corpo sofrer                      colapso gravitacional completo — encolhendo a um ponto de densidade quase              infinita… e se tornar um buraco negro. Contudo, para que isso aconteça…uma                série de limites deveria ser alcançada e excedida…Planetas, por exemplosão              incapazes de sofrer tal colapso gravitacional…pois a repulsão eletromagnética                entre átomos é forte o suficiente para garantir estabilidade…Estrelas normais,                  como o Sol, também devem ser resistentes ao colapso gravitacional, em parte                devido ao fato de se pensar no plasma do centro das estrelas — nessa faixa de                massa como aproximadamente 10 vezes a densidade do chumbo. Mesmo não                sendo esse o caso, a ‘pressão térmica’ resultante de processos nucleares junto                          à pressão de radiação … já bastaria para suportar o colapso de uma estrela de              massa baixa a intermediária. Mas, e as estrelas mais antigas e mais evoluídas,                    nas quais as “reações nucleares” cessaram … devido à falta de combustível?…

pressão degenerativa de Pauli

Uma anã branca, uma estrela de nêutrons ou mesmo uma estranha estrela quark ainda são feitas de férmions. A pressão degenerativa de Pauli ajuda a segurar o remanescente estelar contra o colapso gravitacional, impedindo a formação de um BN. (CXC / M. Weiss)

Foi sugerido…desde a década de 1920, que estrelas…pequenas e densas (anãs brancas) suportavam o colapso graças a um fenômeno da mecânica quântica, denominado degenerescência. Essa pressão é creditada ao… “princípio de exclusão” de Pauli…o qual afirma que é proibido a férmions (como elétrons) ocupar mesmos…’estados quânticos.  Isso então fez o físico Subrahmanyan Chandrasekhar… questionar se havia um limite superior, para tal proteção. Chandrasekhar propôs, em 1931, que acima de 1,4 massas solares uma anã branca… não seria mais protegida do colapso gravitacional pela pressão de degenerescência…Além desse “limite de Chandrasekhar”…a gravidade fica maior que o princípio de exclusão de Pauli, e o colapso gravitacional continua inabalável.    Por outro lado, a descoberta dos neutrons (parceiro de prótons em núcleos atômicos) em 1932 levou o teórico Lev Landau a especular da possibilidade de estrelas de neutrons.

A parte externa dessas estrelas conteria núcleos ricos em neutrons; enquanto as seções internas seriam formadas de um fluido quântico composto principalmente de neutrons.      Essas estrelas de neutrons também seriam protegidas do…colapso gravitacional…pela pressão da degenerescência eletrônica…desta vez fornecida por esse fluido de neutrons.    Além disso, a maior massa de neutron… em comparação ao elétron – permitiria que as estrelas do neutron atingissem uma densidade maior … antes de sofrer colapso. – Para colocar isso em evidência…seria de se esperar que uma anã branca com a massa do Sol tivesse um milionésimo do volume da nossa estrela… dando a ele um raio de 5000 km; aproximadamente igual ao da Terra. — Uma estrela de neutrons de massa semelhante, porém…teria um raio de cerca de 20 km; aproximadamente o tamanho de uma cidade.

Em 1939Robert Oppenheimer havia calculado que o limite de massa para estrelas de neutrons seria aproximadamente 3 vezes a massa do Sol. Acima desse limite, o colapso gravitacional venceria de novo. — Ele também usou a relatividade geral para descrever como esse colapso parece para um observador distante. Ele consideraria que o colapso levaria um tempo infinitamente longo…num processo parecendo desacelerar/congelar        à medida que a superfície da estrela é reduzida … em direção ao raio de Schwarzschild.  Porém…um observador caindo nessa superfície não notaria nada. – A passagem de Rs pareceria parte natural da queda…para ele – apesar de marcar o ponto de não retorno.

Tipos de buraco negro – Kerr – efeito de arrasto                                                            Equações de campo da “relatividade geral”, também nos                                                    permitem categorizar esses…”eventos do espaço-tempo”.

bn classes“Buracos negros” têm relativamente poucas qualidades independentes. De fatoeles só têm 3 propriedades independentes mensuráveis quais sejam: momento angular, carga elétrica e massa. Como todos têm massa, só existem 4 tipos diferentes de buracos negros, com base nessas qualidadescom métricas próprias.

Como a maioria dos buracos negros é considerada rotacional e sem carga, ao considerar a composição de um buraco negro, vale a pena examinar os buracos negros de Kerr…E aí, o que surge de ‘matematicamente interessante’ é que os termos no…”elemento de linha” sugerem que o ‘momento angular‘ de um buraco negro arrasta o espaçotempo junto com ele. Assim, qualquer matéria que entre nesta região é violentamente arrastada. Tal efeito de arrasto do espaço-tempo pode ser bem explicado…pelo emprego de um ‘cone de luz‘.

Longe do buraco negro, a luz é livre para viajar com a mesma facilidade em qualquer direção. – Os “cones de luz” aqui têm uma aparência tradicionalmente simétrica que representa isso. Em direção ao ‘limite estático‘…eles começam a inclinar-se para a singularidade, no sentido de rotação, e estreitando-se. O limite estático representa o        ponto em que a luz não está mais livre para viajar em qualquer direção. Deve ser em          uma direção favorável à rotação do ‘buraco negro’. – Como nenhuma partícula pode      ficar parada neste pontodaí o nome ‘limite estático’. O efeito de arrasto é tão forte,        que nem a luz consegue resistir. Os sinais podem escapar dessa região, pois ainda        não é o ‘horizonte de eventos’, mas só podem fazê-lo viajando na direção da rotação.

É interessante notar que o físico Roger Penrose sugere que, partículas que entram no  limite estático, e se decompõem em 2 partículas separadas, podem resultar em perda        de energia do buraco negro, no que é conhecido como processo Penrose. Em suma,          o processo representa um decréscimo no momento angular do BN, resultado de uma transferência de energia e a diferença de momento, corresponde à energia perdida.

O mais surpreendente sobre tudo isso, é que todo esse conhecimento veio até nós,          antes mesmo que soubéssemos que os buracos negros existiamEssas revelações        vieram puramente da matemática da relatividade geral. Obviamente isso também          sugere muito mais ainda por compreender sobre os buracos negros. (texto base**************************(texto complementar)*****************************

Supertelescópio pronto para tirar primeira foto de um buraco negro (fev/2017)

telescopio-tamanho-terraAstrônomos acreditam estar prestes a obter sua primeira imagem de um buraco negro. Para isso construíram um telescópio virtual – do tamanho da Terra – unindo ‘radiotelescópios’ dos EUA a Polo Sul, Havaí…Europa  e América do Sul… – Há um grande otimismo de que as observações…a se realizar de 5 a 14 de abril por fim revelem – a tão aguardada imagem, que comprovaria definitivamente a ‘existência’ desses “corpos celestes”.

Como é um buraco negro?…                                                                                          “Nunca é uma boa ideia apostar contra Einstein, mas se observarmos algo muito diferente do esperado, talvez tenhamos que reavaliar a sua teoria da gravidade”.

buraco-negro

Sem nunca ter visto um buraco negro, astrônomos apenas fazem ideia do que esperam. [Hotaka Shiokawa/Harvard]

Sem nunca ter visto um buraco negro, astrônomos somente fazem uma ideia do que esperam verSimulações com base nas equações de Einstein podem prever um ‘anel brilhante’ no entorno de uma “forma escura”. A luz assim imaginada seria então produzida por partículas de gás e poeira, aceleradas  a velocidades relativísticas e pouco antes de sumir no buraco, destruídas. A ‘área escura’ … impedindo se ver as estrelas, por trás … seria a sombra do buraco… — lançada nesse “turbilhão”.

Se existem falhas a serem encontradas nas ideias de Einstein e, muitos suspeitam que existam explicações mais complexas para a gravidade esperando por serem descobertas, não parece haver lugar melhor do que um buraco negro para que essas limitações sejam expostas. Mas os resultados não virão rápido… talvez apenas em 2018 a equipe possa analisar todos dados coletados, e divulgar a primeira imagem real de um ‘buraco negro’.    O truque do EHT é uma técnica chamada “VLBI” (“Interferometria de Longa Linha de Base”) em portuguêsEla combina uma rede bem ampla de radiotelescópios em vários pontos da Terra… criando um…”telescópio virtual” gigante capaz de dar a ‘resolução’ necessária para poder se observar um ‘buraco negro’ — situado bem distante no espaço.

O EHT tem como objetivo inicialmente chegar a uma precisão de 50 microarco-segundos. Para a equipe, isto possibilitaria ao telescópio capturar da Terra, a imagem de uma laranja, na superfície da Lua.

Ao longo dos anos cada vez mais instalações de radioastronomia foram acrescentadas ao projeto. A última a ser incluída foi o Observatório ALMA [Atacama Large Millimeter(sub) Array], no Chile. Inaugurado em 2013…no Deserto do Atacama, o observatório abriga 66 antenas de 7 metros de diâmetro cada … que também podem ser movidas para ampliar a resolução. Só o ALMA aumentou a sensibilidade do EHT por um fator de 10. (texto base) ***********************************************************************************

Primeira foto de um buraco negro: um dia histórico para a ciência                        Nesta foto, vemos o “buraco negro”…que fica no centro da galáxia M87…a 55                  milhões de anos-luz da Terra…com a massa de 6,5 bilhões de massas solares.

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Pela primeira vez na história, imagem de um buraco negro é divulgada (Foto: Event Horizon)

O dia 10 de abril de 2019 não será esquecido tão cedo para a ciência mundial.                      Pela primeira vez, foi possível observar a foto de um “buraco negro“. — Os                        astrônomos ainda não tinham conseguido captar sua imagem, que era então                      conhecida apenas por ilustrações … em concepções artísticas – e simulações.

Segundo Sheperd Doeleman, diretor do EHT: “Se imersos numa região brilhante,                como um disco de gás incandescente – esperamos que um buraco negro crie uma              região escura semelhante a uma sombra – algo previsto pela “Relatividade Geral”              de Einstein – e que nunca havia sido observado antes. Esta sombra, causada pela curvatura gravitacional…e captura de luz pelo horizonte de eventos, revela muito              sobre a sua natureza – e nos permitiu avaliar a massa do ‘buraco negro’ da M87″.

A sombra de um buraco negro é o mais próximo que dele se pode fotografar. E o    horizonte de eventos do objeto em questão…é cerca de 2,5 vezes menor do que a                sombra que ele projeta, medindo pouco menos de 40 bilhões de km de diâmetro.              Quanto maior o buraco negro…maior sua sombra — e…graças à enorme massa e proximidade relativa, a equipe usou o buraco negro da galáxia M87 … como alvo                perfeito para o projeto. Usando a técnica VLBI‘…as instalações do telescópio ao                redor do mundo foram sincronizadas — para formar o gigante telescópio virtual, explorando a rotação do nosso planetae permitir uma resolução angular de 20 microssegundos de arco, capaz de ler um jornal de New York numa rua em Paris.

Monika Moscibrodzka da “Radboud University” explicou o que aprenderam ao longo de      4 dias de observação, em que o anel não mudou de tamanho e não foi embora…Para ela: “Isso significa, provavelmente, ser um objeto permanente. A mudança na luz do anel, mais brilhante na frente, indica uma rotação. A imagem ainda não está bem definida para medir esta rotação, mas sabemos que ela ocorreno sentido horário”. (texto base)

Sobre Cesarious

estudei Astronomia na UFRJ no período 1973/1979.
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Uma resposta para John Wheeler, o guru dos Físicos Relativísticos

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