Buracos Negros

Naturalmente, a Terra nunca deverá se contrair e diminuir de tamanho, a menos que as condições atuais se modifiquem. Nem qualquer coisa menor que a Terra estará sujeita a esse fenômeno. Mesmo objetos bem maiores que a Terra — como Júpiter, por exemplo, cuja massa é 318 vezes maior que a da Terra — jamais se contrairão se tudo continuar como está.
As estrelas, entretanto, possivelmente se contrairão. Elas têm muito mais massa que os planetas; seus poderosos campos gravitacionais causarão a contração quando seu combustível nuclear minguar até abaixo do ponto crítico, não mais produzindo calor suficiente para contrabalançar a força gravitacional. Até que ponto a contração prosseguirá vai depender da intensidade do campo gravitacional do corpo em contração e, portanto, de sua massa. Se sua massa é grande o suficiente, não há limites à contração, pelo que se sabe, e o corpo se contrai até o volume zero.
Quando a estrela se contrai, a intensidade de seu campo gravitacional a distâncias consideráveis não se modifica, mas a gravidade da superfície aumenta ilimitadamente. Como conseqüência, a velocidade de escape da estrela aumenta de acordo com seu grau de contração. Torna-se cada vez mais difícil para qualquer objeto sair da estrela à medida em que ela se contrai e a gravidade da superfície aumenta.
Atualmente, por exemplo, a velocidade de escape da superfície do Sol é de 617 quilômetros por segundo, quase 55 vezes a velocidade de escape da superfície da Terra. Ainda é suficientemente pequena para os materiais escaparem do Sol com facilidade. O Sol (e outras estrelas) está constantemente emitindo partículas subatômicas em todas as direções em alta velocidade.
Se, todavia, o Sol fosse contrair-se e sua gravidade de superfície aumentasse, a velocidade de escape subiria a milhares de quilômetros por segundo — dezenas de milhares — centenas de milhares. Chegaria a um ponto em que a velocidade de escape atingiria 300 000 quilômetros por segundo, que é a velocidade da luz.

Quando a estrela (ou qualquer objeto) se contrai até o ponto em que a velocidade de escape se iguala à velocidade da luz, ela atinge o "raio Schwarzschíld", assim chamado porque foi inicialmente discutido pelo astrônomo alemão Karl Schwarzschild (1873-1916), embora o primeiro tratamento teórico completo da situação só tenha ocorrido em 1939, pelo físico americano J. Robert Oppenheimer (1904-67).
A Terra atingiria seu raio Schwarzschild se encolhesse até o raio de 1 centímetro. Como o raio de qualquer esfera é a metade de seu diâmetro, a Terra seria uma bola de 2 centímetros, bola essa que conteria a massa inteira da Terra. O Sol atingiria seu raio Schwarzschild se encolhesse até o raio de 3 quilômetros, retendo toda a massa.
Está bem comprovado que nada que tenha massa pode viajar com velocidade maior que a da luz. Uma vez que um objeto tenha encolhido até o ponto do raio Schwarzschild ou menos, nada pode escapar dele1. Qualquer coisa caída no objeto contraído não mais pode sair, de forma que o objeto contraído é como um buraco infinitamente profundo no espaço. Mesmo a luz não pode se evadir, razão pela qual o objeto contraído é totalmente negro.
O físico americano John Archibald Wheeler (1911-) foi o primeiro a usar a expressão "buracos negros" para denominar tais objetos .
Seria de se esperar, então, que os buracos negros fossem formados por falta de combustível nas estrelas e quando estas fossem grandes e produzissem um campo gravitacional tal que as reduzisse a seu raio Schwarzschild. Tal processo seria unidirecional, isto é, um buraco negro se forma mas não se desfaz. Uma vez formado, ele é permanente — salvo uma exceção que discutirei mais adiante.

Além disso, qualquer coisa que se aproxime de um buraco negro pode ser capturada pelo intensíssimo campo gravitacional existente em suas adjacências. O objeto que se aproxima pode espiralar em torno do buraco negro até cair nele. Feito isso, não mais se desloca. Parece-nos, portanto, que o buraco negro ganha massa, mas nunca a perde.
Se os buracos negros se formam sem jamais desaparecer, é de se esperar que o número deles aumente com o passar do tempo. Além disso, se os buracos negros só ganham massa, devem estar todos crescendo. Com mais e maiores buracos negros a cada ano, resulta que a massa do universo cada vez mais se concentra em buracos negros — o que significa que todos os objetos universais acabarão por se encontrar em um buraco negro, aqui ou acolá.
Se vivemos em um universo aberto, poderíamos imaginar que o fim não se resume em máxima entropia com a morte pelo calor num mar infinito de gás rarefeito. Nem se restringe à máxima entropia com a morte pelo calor em cada um dos 1 bilhão de aglomerados galácticos separados uns dos outros a distâncias cada vez mais crescentes. Em vez disso, parece que o universo alcançaria, a longo prazo, entropia máxima na forma de inúmeros buracos negros maciços, arranjados em grupos incalculavelmente distantes uns dos outros. Hoje, assim apareceria o futuro mais provável para um universo aberto.
Há razões teóricas que corroboram a suposição de que as energias gravitacionais dos buracos negros podem produzir grande quantidade de trabalho. Podemos facilmente imaginar seres humanos utilizando os buracos negros como uma fornalha universal, atirando ali toda a massa desprezível e aproveitando a radiação produzida no processo. Se não existisse massa excedente, poder-se-ia utilizar a energia de rotação dos buracos negros.

Desse modo, muito mais energia pode ser extraída de buracos negros do que da mesma quantidade de massa de estrelas comuns, e a espécie humana poderia perdurar mais em um universo que tivesse buracos negros do que em outro desprovido deles.
No final, todavia, a segunda lei vingaria. Toda matéria acabaria em buracos negros e estes não mais fariam o movimento de rotação. Não se extrairia mais trabalho deles e existiria a máxima entropia. Seria muito mais difícil evitar a morte pelo calor, caso ela chegasse, com os buracos negros do que sem eles. Não poderíamos enfrentar facilmente flutuações casuais em porções de baixa entropia; é difícil conceber de que modo a vida evitaria sua catástrofe derradeira.
Como ficariam os buracos negros no caso do universo fechado?
O processo pelo qual o número e o tamanho dos buracos negros aumenta pode ser lento, considerando-se o tamanho e a massa total do universo. Apesar de o universo ter 15 bilhões de anos de idade, os buracos negros provavelmente constituem apenas uma pequena porção de sua massa*.
Mesmo após meio trilhão de anos, quando sobrevier a reviravolta e o universo começar a se contrair, pode ser que os buracos negros perfaçam apenas uma pequena fração da massa total.
Porém, tão logo o universo comece a se contrair, a catástrofe dos buracos negros ganhará um potencial extra. Os buracos negros formados durante a expansão se restringem ao âmago das galáxias, mas, então, à medida em que os aglomerados galácticos se aproximarem uns dos outros e o universo ficar rico em radiação energética, poderemos estar certos de que os buracos negros serão mais numerosos e crescerão mais depressa. Em estágios finais, à medida em que os aglomerados galácticos se aglutinam, os próprios buracos negros se aglutinam; a compressão final em um único ovo cósmico não é nada mais que uma compressão em um enorme buraco negro universal.

Só mesmo um buraco negro poderia conter toda a massa universal e ter as dimensões do ovo cósmico. Entretanto, se nada emerge de um buraco negro, como o ovo cósmico, formado pela contração do universo, pode explodir e formar um novo universo? A propósito, como o ovo cósmico de 15 bilhões de anos atrás explodiu para formar o universo que ora habitamos?
Para percebermos como isso pode ocorrer, devemos compreender que nem todos os buracos negros são igualmente densos. Para começar, quanto maior a massa de um objeto, mais intensa é sua gravidade de superfície (se for uma estrela comum) e mais alta é sua velocidade de escape.
Conseqüentemente, precisará contrair-se menos até alcançar uma velocidade de escape que se iguale à velocidade da luz e maior será o raio Schwarzschild com o qual termina.
Como afirmei anteriormente, o raio Schwarzschild do Sol seria de 3 quilômetros. Se uma estrela cuja massa fosse o triplo da do Sol se contraísse até seu raio Schwarzschild, este seria de 9 quilômetros.
Uma esfera cujo raio fosse de 9 quilômetros teria o triplo do raio de uma esfera de 3 quilômetros de raio, e teria 3 X 3 X 3, ou 27 vezes o volume. No volume da esfera maior haveria o triplo de massa. A densidade do maior buraco negro seria 3/27 ou 1/9 da densidade do pequeno.
De modo geral, quanto mais maciço for um buraco negro, menos denso ele será.
Se a galáxia da via-láctea, cuja massa é 150 bilhões de vezes maior que a do Sol, tivesse que se reduzir a um buraco negro, seu raio Schwarzschild teria 450 bilhões de quilômetros, ou aproximadamente 1/20 de 1 ano-luz. Tal buraco negro teria uma densidade média mil vezes menor que a do ar que nos circunda. Mais pareceria um vácuo — mas ainda seria um buraco negro do qual nada escaparia.

Se houvesse uma quantidade de massa no universo que o tornasse fechado, e se toda essa massa estivesse comprimida em um buraco negro, seu raio Schwarzschild seria de aproximadamente 300 bilhões de anos-luz! Tal buraco negro teria um volume muito maior do que o universo conhecido; sua densidade seria bastante menor que a atual densidade média do universo.
Assim sendo, imaginemos o universo em contração. Suponhamos que cada galáxia tenha perdido a maior parte de sua matéria para um buraco negro, de modo que o universo em contração consista em 100 bilhões de buracos negros, com diâmetros variando de 1/500 de 1 ano-luz a 1 ano-luz, dependendo de sua massa. Nenhuma matéria pode emergir de nenhum desses buracos negros.
Agora, nos estágios finais da contração, todos esses buracos negros se encontram e se aglutinam para formar um único buraco negro contendo a massa do universo — e com um raio Schwarzschild de 300 bilhões de anos-luz.
Nada pode atravessar os limites desse raio, mas bem que podem existir expansões dentro dos limites do raio. O arremesso para fora do raio, por assim dizer, pode perfeitamente ser o evento que inicia a grande explosão.
Uma vez mais o universo se forma através da expansão numa vasta explosão. Assim se formam as galáxias, as estrelas e os planetas. Mais cedo ou mais tarde, começarão a se formar buracos negros, e a coisa toda se repete.
Se continuarmos nesta linha de pensamento, deveremos concluir que o universo não pode ser aberto — que ele não se expande para sempre.
O ovo cósmico de onde se originou a expansão deve ter sido um buraco negro e deve ter tido um raio Schwarzschild. Se fosse o caso de o universo se expandir eternamente, algumas de suas partes consequentemente teriam que superar o raio Schwarzschild, o que seria impossível. Por essa razão, o universo deve ser fechado, e a reviravolta deve ocorrer antes que o raio Schwarzschild seja alcançado.

* Não podemos ter muita certeza disso. É difícil detectar um buraco negro; provavelmente, há muitos que nem sequer notamos. Pode até ser que a massa desses buracos negros desconhecidos seja exatamente a "massa perdida" necessária para jazer nosso universo fechado — caso em que os buracos negros poderiam constituir de 50 a 90 por cento da massa do universo.

Fonte: Isaac Asimov - Escolha a Catástrofe
.
Um argumento forte a favor do universo cíclico? Eu jamais imaginara que um buraco negro com toda a matéria do universo teria MENOS densidade que a atual do universo. Então tendemos a um mega-BN?
Que o fórum discuta!

Interessante, também nunca poderia imaginar que um buraco negro com toda a matéria do universo teria 300 bilhões de anos luz de raio e seria menos denso do que a densidade atual do nosso universo.

Isso é meio controverso né, mas isso é comprovado?

Cálculos. Não há como comprovar isso, acho. rs

Estranho isso, muito controverso, não boto fé de ser menos denso que o atual universo não. Mas, vai lá saber, vai que o nosso próprio universo seja um buraco negro de um universo maior, já ouvi falar dessa ideia uma vez em um site de ciência, não me lembro onde e nem quando.

Eu sei como um buraco negro funciona, mas não fazia ideia de que um buraco negro com toda a matéria do universo seria maior que o próprio universo. E se alguém me dissesse isso sem toda a explicação que tem no texto, eu gargalharia.

Não sou tão entendido assim de buracos negros (logo eu mesmo posso estar errado no que vou dizer), mas, sinceramente, essa história toda me pareceu uma simples sequencia de idéias e reflexões pessoais sem um pingo de fundamentação e pesquisa científica por parte do autor (em outas palavras, "uma viagem"). Pra mim tudo isso não passa de uma conclusão gerada a partir de hipóteses oriundas da cabeça do próprio Isaac e construída sob um raciocínio no mínimo confuso. A ausência dos cálculos só piora ainda mais as coisas. Ao contrário de você, pra mim o argumento dele não fez sentido nenhum. São só idéias. Criativas, mas ainda assim sim só idéias. O texto é carregado de suposições e mais suposições. Por que supor que buracos negros só adquirem massa mas nunca perdem? Por que supor que o raio de Schwarzschild é o raio mínimo possível? Por que supor que o Universo se contrairá? E que história é essa de "ovo cósmico"? Entre outras questões relevantes. Não estou dizendo que isso não seja verdade, mas a falta dos cálculos feitos pra se chegar a essas conclusões faz com que essas idéias sejam difíceis de se acreditar. Como eu disse, me parece apenas idéias do autor.

Mas é claro que eu posso estar errado.
Talvez com fontes mais confiáveis (não o próprio livro do Asimov, mas alguma que confirme suas hipóteses) podemos discutir mais profundamente sobre o assunto, porque essas regrinhas de três aí não me convenceram.

E quanto à sua pergunta: "um argumento forte a favor do Universo cíclico?"

Minha opinião: Não. Definitivamente não.

O livro citado é de ficção científica?

Tá explicado.

Não, não é de ficção científica o livro. E Asimov não foi autor apenas de FC.
Vejam a lista de livros científicos que ele publicou:

Adding a Dimension (1964)
Asimov on Numbers (1959)
Asimov's Chronology of Science and Discovery (1989, segunda edição ampliada em 1993)
Asimov's Chronology of the World (1991)
The Chemicals of Life (1954)
Choice of Catastrophes (1979)
The Clock We Live On (1959)
The Collapsing Universe (1977) ISBN 0-671-81738-8
The Earth (2004, revisado por Richard Hantula)
Exploring the Earth and the Cosmos (1982)
The Human Brain (1964)
Inside the Atom (1956)
Isaac Asimov's Guide to Earth and Space (1991)
The Intelligent Man's Guide to Science (1965)
Jupiter (2004, revisado por Richard Hantula)
Life and Energy (1962)
The Neutrino (1966)
Our World in Space (1974)
Quasar, Quasar, Burning Bright (1977)
Science, Numbers and I (1968)
The Secret of The Universe (1990)
The Solar System and Back (1970)
Asimov (2003, revisado por Richard Hantula)
The Sun Shines Bright (1981)
The Universe: From Flat Earth to Quasar (1966)
Venus (2004, revisado por Richard Hantula)
Views of the Universe (1981)
Words of Science and the History Behind Them (1959)
The World of Carbon (1958)
The World of Nitrogen (1958)

Por que supor que o raio de Schwarzschild é o raio mínimo possível? Por que supor que o Universo se contrairá? E que história é essa de "ovo cósmico"? Entre outras questões relevantes. Não estou dizendo que isso não seja verdade, mas a falta dos cálculos feitos pra se chegar a essas conclusões faz com que essas idéias sejam difíceis de se acreditar. Como eu disse, me parece apenas idéias do autor.

Na verdade, nunca fui muito fã da ideia de universo cíclico. O raciocínio de Asimov, porém, parece correto.
A parte especialmente interessante de sua conclusão, para mim, foi a seguinte:

Como afirmei anteriormente, o raio Schwarzschild do Sol seria de 3 quilômetros. Se uma estrela cuja massa fosse o triplo da do Sol se contraísse até seu raio Schwarzschild, este seria de 9 quilômetros.
Uma esfera cujo raio fosse de 9 quilômetros teria o triplo do raio de uma esfera de 3 quilômetros de raio, e teria 3 X 3 X 3, ou 27 vezes o volume. No volume da esfera maior haveria o triplo de massa. A densidade do maior buraco negro seria 3/27 ou 1/9 da densidade do pequeno.
De modo geral, quanto mais maciço for um buraco negro, menos denso ele será.
Se a galáxia da via-láctea, cuja massa é 150 bilhões de vezes maior que a do Sol, tivesse que se reduzir a um buraco negro, seu raio Schwarzschild teria 450 bilhões de quilômetros, ou aproximadamente 1/20 de 1 ano-luz. Tal buraco negro teria uma densidade média mil vezes menor que a do ar que nos circunda. Mais pareceria um vácuo — mas ainda seria um buraco negro do qual nada escaparia.
Se houvesse uma quantidade de massa no universo que o tornasse fechado, e se toda essa massa estivesse comprimida em um buraco negro, seu raio Schwarzschild seria de aproximadamente 300 bilhões de anos-luz! Tal buraco negro teria um volume muito maior do que o universo conhecido; sua densidade seria bastante menor que a atual densidade média do universo.

Saudade dos físicos do fórum que poderiam confirmar ou refutar as afirmações do Asimov.

É um livro dos anos 60 ou 70, pode muito bem estar para lá de ultrapassado.

Buraco negro, nos levaria a uma outra dimensão??
Como seria um buraco negro? Já que nem a própria luz escapa de sua gravidade infinita..
O que seria o seu centro? Será que objetos ''sugados'' levariam a um outro universo, sendo um buraco negro um portal para novos mundos?

Provavelmente não. O Buraco negro é o resultado de uma estrela supermassiva que entra em colapso quando acaba sua fonte de energia. Quando isso acontece o campo gravitacional da estrela se torna muito forte com uma velocidade de escape superior a da luz. Tudo bem que, por ser um corpo quente, emite radiação (Conhecida como Radiação Hawking) em forma de Raios - X e Ondas de Rádio; entretanto isso é um caso a parte. Ainda há a suposição de que um Buraco de Minhoca, que seria uma fase anterior ao BN, poderia nos levar a fazer viagens no espaço-tempo, mas isso por enquanto é apenas suposição e não entra na parte de dimensões.

Mas ainda existe a pequena teoria de que no fim de um Buraco Negro abriria - se um outro Universo, mas isso é muito improvável.

Mr. Enigma escreveu:Qualquer coisa caída no objeto contraído não mais pode sair, de forma que o objeto contraído é como um buraco infinitamente profundo no espaço. O físico americano John Archibald Wheeler (1911-) foi o primeiro a usar a expressão "buracos negros" para denominar tais objetos.

Não acho que os "buracos" negros sejam realmente buracos. Na minha opinião são esferas extremamente densas.

Mr. Enigma escreveu:Como afirmei anteriormente, o raio Schwarzschild do Sol seria de 3 quilômetros. Se uma estrela cuja massa fosse o triplo da do Sol se contraísse até seu raio Schwarzschild, este seria de 9 quilômetros.
Uma esfera cujo raio fosse de 9 quilômetros teria o triplo do raio de uma esfera de 3 quilômetros de raio, e teria 3 X 3 X 3, ou 27 vezes o volume. No volume da esfera maior haveria o triplo de massa. A densidade do maior buraco negro seria 3/27 ou 1/9 da densidade do pequeno. De modo geral, quanto mais maciço for um buraco negro, menos denso ele será.

Pelo que eu entendi o raio de Schwarzschild representa a extensão do horizonte de evento, ou seja, do campo de ação gravitacional do "buraco" negro e não do raio de um objeto, no caso do seu exemplo uma estrela.

Portanto, na minha opinião, quanto mais massivo for um buraco negro mais denso ele será devido a gravidade e maior será seu horizonte de eventos, ou seja, seu raio Schwarzschild.

Complementando...

Sobre buracos Negros a Humanidade se especula desde 1783 (Físico inglês John Michell). A gravidade de um corpo pode ser interpretada como uma curvatura no espaço: se um corpo possui uma massa considerável este corpo devido à sua gravidade irá deformar o espaço onde ele está. Se uma bola for jogada sobre uma superfície plana (tecido quadriculado) esta irá fazer com que surja uma terceira dimensão (+1 Dimensão), isto é uma curvatura no espaço. O Sol é um astro com massa e gravidade suficientes para deformar o espaço ao seu redor, podemos então interpretar que os planetas que rodam em torno do sol são atraídos por esta deformação. A Dimensão a mais, seria o tempo, logo um buraco negro irá criar uma descontinuidade no espaço tal, que o Espaço-Tempo nele é alterado de tal forma com que a afirmação de “que quanto mais próximo do buraco negro, mais devagar o tempo passa” tem lógica pois, a luz levaria maior tempo para percorrer uma distância maior, fazendo com que o tempo para que os acontecimentos cheguem até nossos olhos demorassem mais do que se não houvesse deformação no espaço. Buracos Negros inclusive pode ser um atalho ou portal para um outro universo totalmente diferente e exótico. Para melhor entendermos vamos recorrer a uma dimensão a menos que fica mais fácil o entendimento: suponha duas folhas planas (2D), se cada plano possui uma massa tal que cria uma deformação no espaço, estas podem se encontrar unindo um universo a outro.
Nota: Não sou fisico, e se falar algo equivocado, por favor me corrijam.

[...] Na medida em que uma estrela vai criando elementos mais pesados, sua energia vai se esgotando e começa a romper-se o equilíbrio entre força da radiação e a gravidade. Quando isso ocorre, a estrela desmorona, numa magnifica explosão[...]
[...] no caso de estrelas de pequena massa, essa explosão é seguida de um novo equilíbrio, com a formação de uma estrela diferente, a chamada anã branca. A imensa força gravitacional arranca os elétrons dos núcleos atômicos, transformando-os num plasma, extremamente comprimido contra os átomos nus. Um novo tipo de força então, a força eletromagnética desse plasma, assegura a estabilidade da estrela, contrabalançando a da gravidade. [...]
[...] Quando as estrelas têm massas muito maiores, tão grandes que sua força gravitacional, após o desmoronamento que foi descrito antes, é ainda tão potente que supera a força eletromagnética do plasma de elétrons, então esse plasma se rompe e a estrela explode, chegando repentinamente a brilhar mais do que uma galaxia inteira. Os elétrons são empurrados então para o interior dos núcleos atômicos; suas cargas elétricas negativas anulam as dos prótons, transformando os em nêutrons; toda a estrela restante torna-se como um bloco maciço de partículas pesadas e que então conseguem resistir à força gravitacional graças as forças nucleares responsáveis pela coesão interna das partículas no interior do átomo, as mais poderosas do universo. [...]
[...] As estrelas de nêutrons, porém, podem chegar a ter uma massa equivalente à do Sol, comprimida em uma esfera que caberia dentro da cidade de SP, com 14 km de raio. Sua gravidade é tão brutal que, em sua superfície, um homem pesaria 20 trilhões de quilos; e nada com velocidade abaixo de 200.000 km por segundo, dois terços da velocidade da luz, poderia deixar o seu campo de atração!
Chegando à estrela de nêutron estamos a um passo do buraco negro e dos quasares.
[...]

Light escreveu:

Mr. Enigma escreveu:Qualquer coisa caída no objeto contraído não mais pode sair, de forma que o objeto contraído é como um buraco infinitamente profundo no espaço. O físico americano John Archibald Wheeler (1911-) foi o primeiro a usar a expressão "buracos negros" para denominar tais objetos.

Não acho que os "buracos" negros sejam realmente buracos. Na minha opinião são esferas extremamente densas.

Já ouvi falar que buracos negros não são totalmente negros.
Apesar de sua fama de ralo cósmico que nem mesmo a luz consegue escapar devido à enorme curvatura no tecido espacial gerada por sua massa, buracos negros permitem que parte da informação daquilo que é engolido escape na forma de radiação, ou seja, buracos negros irradiam como corpos aquecidos.

Nefelibata escreveu:Já ouvi falar que buracos negros não são totalmente negros.
Apesar de sua fama de ralo cósmico que nem mesmo a luz consegue escapar devido à enorme curvatura no tecido espacial gerada por sua massa, buracos negros permitem que parte da informação daquilo que é engolido escape na forma de radiação, ou seja, buracos negros irradiam como corpos aquecidos.

Até onde eu sei existe uma previsão teórica de emissão de radiação dos buracos negros chamada de radiação Hawking.

Porém tal radiação nunca foi detectada experimentalmente, ou seja, até o momento não há evidências de que buracos negros emitem radiação.