Buracos negros: Einstein tentou provar que não podiam existir

Buracos negros: Einstein tentou provar que não podiam existir

Eis a candidatura mais estranha da história da física: o homem cujas equações tornaram os buracos negros pensáveis passou parte da carreira a argumentar contra a sua existência. Em 1939, Albert Einstein pegou na sua própria teoria da relatividade geral e tentou usá-la para provar que os buracos negros não podiam existir.

O universo recusou-se a cooperar. Ao longo de uma vida, os astrónomos pesaram um, ouviram dois colidirem e, por fim, fotografaram um. Um buraco negro é uma região onde a gravidade vence de forma absoluta — tudo o que atravessa a fronteira lá fica, incluindo a luz — e a história de como passámos a acreditar neles está cheia de apostas, dúvidas e um asterisco muito bem colocado.

A ideia chegou numa carta de 1784

A primeira versão de um buraco negro é anterior a Einstein em mais de um século, e chegou pelo correio. John Michell, astrónomo e clérigo inglês, calculou que uma estrela com a densidade do Sol mas 500 vezes o seu raio engoliria a sua própria luz: à superfície, a velocidade necessária para escapar seria superior à da própria luz. Publicou o cálculo numa carta em 1784.

A «estrela escura» de Michell assentava na física errada, mas mesmo assim chegou à ideia certa — uma massa tão concentrada que a luz não consegue escapar-lhe. Foram precisos quase dois séculos para que o conceito deixasse de soar como uma partida matemática.

O maior cético escreveu as próprias equações

A tentativa de Einstein, em 1939, de excluir os buracos negros é uma das grandes ironias da ciência: a teoria que defendia continuava, silenciosamente, a insistir na sua existência. A questão ficou resolvida — pelo menos matematicamente — em 1965, quando Roger Penrose provou que a relatividade geral prevê singularidades dentro de todos os buracos negros. Não eram um acaso de modelos limpos e simétricos que desapareceria no universo real e caótico. Eram a regra.

Esse resultado transformou os buracos negros de curiosidade em previsão. O que ainda faltava era um exemplar real, suspenso no céu, para os astrónomos apontarem.

Uma aposta que Stephen Hawking esperava perder

Chandra X-ray image of Cygnus X-1
Cygnus X-1, one of the most intensively studied X-ray sources, imaged by the Chandra observatory. NASA's Chandra X-ray Observatory; Credits: NASA/CXC, Public domain, via Wikimedia Commons

A pista começou com Cygnus X-1, uma intensa fonte de raios X na constelação do Cisne. Em 1971, vários grupos de investigação já a tinham identificado, de forma independente, como o primeiro candidato a buraco negro a obter um amplo consenso. O objeto recusava-se a comportar-se como uma estrela vulgar, e as provas tornavam-se cada vez mais sólidas.

Sólidas o suficiente, de facto, para valer uma aposta. Em 1975, Stephen Hawking e Kip Thorne fizeram uma aposta amigável sobre se Cygnus X-1 continha mesmo um buraco negro — e Hawking, que tinha passado anos a trabalhar na teoria dos buracos negros, apostou deliberadamente contra, para que perder a aposta significasse, pelo menos, ganhar em termos de física. Rendeu-se em 1990, quando as observações já deixavam pouca margem para dúvidas. Hoje, o objeto compacto em Cygnus X-1 é estimado em cerca de 21,2 vezes a massa do Sol — um objeto que nenhuma estrela comum conhecida conseguiria explicar.

Os buracos negros não são totalmente negros

O prémio de consolação de Hawking foi maior do que a aposta. Em 1974, mostrou que a teoria quântica de campos obriga os buracos negros a brilhar — ténuemente, como um corpo negro, a uma temperatura determinada pela sua gravidade superficial. Este é o efeito hoje conhecido como radiação de Hawking, e significa que um buraco negro pode, em princípio, evaporar-se lentamente.

Na prática, nenhum deles está ainda a encolher. Mesmo a classe mais pequena observada, os buracos negros estelares, absorve atualmente mais massa da radiação cósmica de fundo — o ténue resplendor remanescente do Big Bang — do que aquela que perde através da radiação de Hawking. Por agora, as contas só aumentam.

O dia em que o espaço-tempo soou como um sino

Durante cem anos, todos os testes aos buracos negros foram indiretos. Depois, no final de 2015, as colaborações LIGO e Virgo captaram a primeira deteção direta de ondas gravitacionais — um evento chamado GW150914, e simultaneamente a primeira fusão de buracos negros alguma vez observada.

Os pormenores do sinal são impressionantes. Os dois buracos negros que espiralaram um em torno do outro tinham cerca de 30 e 35 vezes a massa do Sol, e a colisão ocorreu a cerca de 1,4 mil milhões de anos-luz da Terra. Uma ondulação no espaço-tempo atravessou essa distância e ainda assim foi registada por instrumentos aqui. Seguiram-se centenas de deteções semelhantes, mas GW150914 foi o momento em que os buracos negros deixaram de ser silenciosos.

Retratos de dois monstros

The supermassive black hole in Messier 87 imaged by the Event Horizon Telescope
The supermassive black hole at the centre of Messier 87, imaged by the Event Horizon Telescope. Photo: Event Horizon Telescope, Wikimedia Commons, CC BY 4.0

Ouvir buracos negros não bastava; os astrónomos queriam ver um. A 10 de abril de 2019, o Event Horizon Telescope publicou a primeiríssima imagem direta de um buraco negro — o gigante supermassivo no núcleo da galáxia Messier 87, a brilhar como um anel de brasas em torno de um buraco no céu.

A sequela foi mais perto de casa. Em 2022, a mesma colaboração divulgou uma imagem de Sagittarius A*, o buraco negro no centro da nossa própria Via Láctea, reconstruída a partir de dados recolhidos já em 2017. Dois retratos, duas galáxias, uma física idêntica — a prova visual mais forte, até agora, de que os horizontes de eventos são lugares reais, e não mera contabilidade teórica.

O peso-pesado da porta ao lado

The first image of Sagittarius A*, the black hole at the centre of the Milky Way

A primeira imagem de Sagittarius A, captada pela colaboração Event Horizon Telescope. Foto: EHT Collaboration, Wikimedia Commons, CC BY 4.0*

Sagittarius A* é o buraco negro que melhor conhecemos, e os números são maravilhosamente precisos. A sua massa ronda os 4,297 milhões de massas solares, com uma margem de apenas 0,012 milhões — uma precisão contabilística digna de um banco. Situa-se a cerca de 26.000 anos-luz de distância, e o seu tamanho medido corresponde a 51,8 milhões de quilómetros — cerca de 32,2 milhões de milhas — de diâmetro.

Esse número merece uma comparação. A Terra orbita a 150 milhões de quilómetros do Sol, e Mercúrio desce até aos 46 milhões de quilómetros no seu ponto mais próximo. Se colocássemos Sagittarius A* no lugar do Sol, a sua sombra ultrapassaria a órbita de Mercúrio — um único objeto mais largo do que a primeira faixa interior do Sistema Solar.

Um nome «excitante» e um apetite irrequieto

O asterisco em Sgr A* não é uma nota de rodapé. Foi Robert Brown quem o introduziu, em 1982: a fonte de rádio pareceu-lhe «excitante», e os físicos assinalam os estados excitados dos átomos com asteriscos. Pode ser o único objeto no céu com o nome de um estado de espírito.

O nome continua a fazer sentido. Em 2013, astrónomos que observavam com o telescópio de raios X Chandra apanharam Sgr A* a emitir uma explosão 400 vezes mais brilhante do que o seu habitual murmúrio silencioso. Mesmo um buraco negro maioritariamente adormecido, ao que parece, lembra ocasionalmente à vizinhança quem manda no centro da galáxia.

Fontes