Tipos de buracos negros
Existem quatro tipos de buracos negros com base em sua massa: estelar, intermediário,
Buracos negros de massa estelar são pequenos, mas mortais
A Via Láctea contém cerca de cem milhões de negrosburacos que se formaram como resultado do colapso de estrelas muito massivas. Cada um desses buracos negros estelares pesa cerca de 10 vezes o nosso sol. Muito poucos desses buracos negros estão próximos a uma estrela comum que lentamente se derrama em um buraco negro. Quando esse gás cai em direção ao buraco negro, ele é aquecido por forte gravidade e fricção. Perto de um buraco negro, o gás atinge uma temperatura típica de 10 milhões de graus Celsius. Essas fontes de raios-X de buracos negros são fáceis de observar em toda a Via Láctea, bem como em galáxias próximas, usando observatórios orbitais de raios-X.
Vale ressaltar que qualquer buraco negro completamenteé descrito por apenas dois números que determinam sua massa e velocidade de rotação. Não sabemos nada mais simples do que uma partícula elementar como um elétron. Os cientistas da CFA mediram esses dois parâmetros fundamentais - massa e spin - em mais de uma dúzia de buracos negros estelares, estudando todos os aspectos desses buracos negros e seus sistemas.
Apesar de sua onipresença no universo,os buracos negros continuam sendo objetos extremamente misteriosos. Precisamos de uma teoria da gravidade quântica que combine a teoria da relatividade de Einstein de 1916 com a teoria da mecânica quântica de 1926. Essa teoria não existe, apesar de décadas de esforços teóricos de físicos que estudam a teoria das cordas e outros. A criação da teoria da gravidade quântica se tornará a coroa da física no mesmo nível das realizações de Newton, Einstein e outros gigantes.
Buraco Negro de Massa Média (IMBH) - Preso no meio
Entre classes de buracos negros de magnitude estelarE supermassivo deve haver mais um intermediário. Em qualquer caso, de acordo com as leis da lógica. Não deveria haver buracos negros de tamanho médio que fizessem a diferença entre buracos negros de massa estelar e buracos negros supermassivos? Essas massas cósmicas médias, que podem variar de cerca de 100 a 1 milhão de massas solares – embora a faixa exata varie dependendo de para quem você pergunta – são chamadas de buracos negros de massa intermediária, IMBHs). E embora os astrónomos tenham encontrado vários candidatos convincentes para IMBH espalhados por todo o Universo, a questão de saber se eles realmente existem ainda não foi resolvida. No entanto, as evidências começam a se acumular.
Apesar de prova definitiva de existênciaIMBH permanece indefinido, com uma série de estudos nas últimas décadas revelando evidências intrigantes que sugerem a existência desses buracos negros não muito grandes, nem muito pequenos.
Uma ilustração de um jovem buraco negro, como dois quasares distantes sem poeira recentemente descobertos pelo Telescópio Espacial Spitzer. (Imagem cortesia da NASA / JPL-Caltech)
Por exemplo, em 2003, os pesquisadores usaramO Observatório Espacial XMM-Newton da ESA para identificar duas fontes de raios-X fortes e distintas na galáxia estelar NGC 1313, próxima. Porque os buracos negros tendem a devorar violentamente o material que chega muito perto e é expelido alto. radiação de energia, eles estão entre as fontes conhecidas mais fortes de radiação de raios-X. Ao identificar as fontes de raios-X em NGC 1313 e estudar como eles surgem periodicamente, em 2015, os pesquisadores conseguiram limitar a massa de um dos supostos buracos negros da galáxia conhecido como NGC 1313 X-1. Eles estimam que isso seja cerca de 5.000 vezes a massa do Sol, mais ou menos, o que o coloca com segurança na faixa de massa de um buraco negro de massa intermediária.
Da mesma forma, em 2009, pesquisadores descobriramevidências ainda mais fortes da existência de um buraco negro de tamanho médio. Localizada a aproximadamente 290 milhões de anos-luz da borda da galáxia ESO 243-49, a equipe observou uma fonte de raios X incrivelmente brilhante chamada HLX-1 (fonte de raios X hiperluminosa 1), que não possui contrapartida óptica. Isto sugere que o objeto observado não é apenas uma estrela ou galáxia. Além disso, os investigadores descobriram que a assinatura de raios X do HLX-1 mudou ao longo do tempo, sugerindo que o buraco negro fica mais brilhante cada vez que uma estrela próxima se aproxima dele, alimentando gás e causando pequenas explosões de raios X que depois desaparecem lentamente. ausente. Com base no brilho das explosões observadas, os investigadores calcularam que a massa mínima do buraco negro é cerca de 500 vezes a massa do Sol, embora algumas estimativas coloquem o seu peso mais próximo de 20.000 massas solares.
Atualmente, detectores de ondas gravitacionaisLIGO e Virgo se uniram para descobrir 20 buracos negros de massa estelar que se fundem para formar buracos negros com massas de 20 a 80 massas solares. Embora o LIGO-Virgo não tenha detectado nenhum BH (mais de 100 massas solares), os pesquisadores estão otimistas sobre sua detecção no futuro.
Buraco negro de Planck (micro buraco negro)
Um buraco negro de Planck é um buraco negro hipotético com a menor massa possível, que é igual à massa de Planck.
A densidade da matéria desse buraco negro écerca de 1.094 kg/m³ e é provavelmente a densidade de massa máxima alcançável. A física nessas escalas deve ser descrita por teorias da gravidade quântica que ainda não foram desenvolvidas. Tal objeto é idêntico a uma partícula elementar hipotética com (presumivelmente) a massa máxima possível – um maximon.
Os buracos negros de Planck são caracterizados por extremamentepequena seção transversal de interação. A pequenez da seção transversal para a interação de maximons neutros com a matéria leva ao fato de que uma parte significativa (ou mesmo a principal) da matéria no Universo no tempo presente pode consistir em maximons, sem levar a uma contradição com as observações. Em particular, os maximons poderiam desempenhar o papel de matéria invisível (matéria escura), cuja existência é atualmente reconhecida na cosmologia.
Buracos negros supermassivos - o nascimento de gigantes
Pequenos buracos negros habitam o universo, mas seusprimos, buracos negros supermassivos, dominam. Esses enormes buracos negros são milhões ou até bilhões de vezes mais massivos que o Sol, mas têm aproximadamente o mesmo tamanho em diâmetro. Acredita-se que esses buracos negros sejam encontrados no centro de praticamente todas as galáxias, incluindo a Via Láctea.
Os cientistas não têm certeza de quão grandeburacos negros. Depois que esses gigantes se formam, eles coletam uma massa de poeira e gás ao seu redor, um material abundante no centro das galáxias, permitindo que cresçam para tamanhos ainda maiores.
Buracos negros supermassivos podem ser o resultadofusões de centenas ou milhares de pequenos buracos negros. Grandes nuvens de gás também podem ser responsáveis pelo seu colapso e rápido aumento de massa. Ou é o colapso de um aglomerado estelar, um grupo de estrelas caindo juntas. Buracos negros supermassivos podem surgir de grandes acumulações de matéria escura. Esta é uma substância que podemos observar através do seu efeito gravitacional sobre outros objetos; no entanto, não sabemos do que é feita a matéria escura porque ela não emite luz e não pode ser observada diretamente.
Uma nova classe de buracos negros - buracos negros “supersupermassivos” ou enormes
Então, como já sabemos, nosso Universo contémenormes buracos negros. O buraco negro supermassivo no centro de nossa galáxia tem uma massa de 4 milhões de Sóis, mas é bem pequeno, como os buracos negros galácticos. Muitos buracos negros galácticos têm uma massa de um bilhão de massas solares, e a massa do buraco negro mais massivo conhecido é estimada em cerca de 70 bilhões de sóis. Mas quão grande pode ser um buraco negro?
Para tornar o buraco negro realmente enormeela deve absorver uma grande quantidade da substância no início de sua vida. Se ele consumir matéria lentamente, a galáxia ao redor se encaixará e o universo se expandirá, de modo que o buraco negro não pode capturar muito mais matéria. Mas quando um buraco negro rapidamente engole uma grande quantidade de matéria, a matéria se torna muito quente e tende a repelir outra matéria, dificultando o crescimento do buraco negro.
Com base nas observações dos maiores negrosburacos negros e simulações de computador da formação de buracos negros, acredita-se que o limite superior da massa dos buracos negros galácticos é de cerca de 100 bilhões de massas solares. Mas uma nova pesquisa sugere que o limite de massa pode ser muito maior.
No trabalho dos cientistas, nota-se que, emboraburacos negros galácticos provavelmente têm um limite de massa solar de centenas de bilhões, buracos negros maiores podem ter se formado independentemente nos estágios iniciais do universo. Esses buracos negros primordiais podem ter mais de um milhão de vezes a massa dos maiores buracos negros galácticos. A equipe de pesquisa os chama de buracos negros incrivelmente grandes ou SLABs (buracos negros estupendamente grandes).
A ideia de buracos negros primordiais já existe há muito tempo.Eles foram propostos como uma solução para tudo, desde a matéria escura até por que ainda não descobrimos um hipotético nono planeta em nosso sistema solar. Mas os modelos teóricos sugerem que os buracos negros primordiais seriam muito menores do que os buracos negros de massa estelar formados a partir de pequenas flutuações de densidade no início do universo. Mas este novo estudo sugere que a matéria escura e outros fatores podem causar um crescimento colossal em alguns deles.
Se o universo primitivo fosse rico em escuridãomatéria, especialmente uma forma de matéria escura conhecida como partículas massivas de interação fraca (WIMP), então o buraco negro primordial poderia consumir matéria escura para crescer rapidamente. Como a matéria escura não interage fortemente com a luz, a matéria escura aprisionada não emitirá muita luz ou calor para diminuir sua taxa de crescimento. Como resultado, esses buracos negros poderiam ter sido enormes mesmo antes de o universo esfriar e as galáxias se formarem. O limite superior de massa para SLAB vai depender de como a matéria escura WIMP interage consigo mesma, então se detectarmos qualquer SLAB, isso pode nos ajudar a entender a matéria escura.
Como a humanidade pode usar os buracos negros?
A teoria da relatividade prevê queburacos negros giratórios podem ser usados como fontes de energia. Em 1969, Roger Penrose descreveu um processo para fazer isso. Existe uma ergosfera em torno dos buracos negros em rotação - a região que precede o horizonte de eventos. Todos os corpos na ergosfera giram com o buraco negro.
Processo Penrose (também chamado de mecanismoPenrose) teoricamente vê os buracos negros como um meio de extrair energia. Tal extração pode ocorrer se a energia rotacional do buraco negro não estiver localizada dentro do horizonte de eventos, mas fora - na região do espaço-tempo de Kerr. Nesta ergosfera, qualquer partícula necessariamente se move em modo de locomotiva simultaneamente com a rotação do espaço-tempo, ou seja, todos os objetos ali contidos são levados por ele. Neste caso, um pedaço de matéria que entra na ergosfera é dividido em duas partes. Por exemplo, a matéria pode consistir em duas partes que são separadas pelo disparo de um explosivo ou de um míssil que separa suas metades. O momento de dois pedaços de matéria à medida que se separam pode ser organizado de modo que um pedaço escape do buraco negro (ele "foi para o infinito") e o outro caia além do horizonte de eventos no buraco negro. Se colocada com cuidado, a parte que escapa da matéria pode ter maior energia de massa do que a original, enquanto a parte que cai recebe energia de massa negativa. Embora o impulso seja retido, o efeito é que mais energia pode ser extraída deste processo do que o originalmente pretendido. Além disso, a diferença é fornecida pelo próprio buraco negro. O processo resulta assim numa ligeira diminuição do momento angular do buraco negro, o que corresponde a uma transferência de energia para a matéria. O impulso perdido, por sua vez, é convertido em energia extraída.
O processo Penrose indica a possibilidadeobter energia de um buraco negro, mas não é um bom método prático. Para sua implementação, é necessário que duas partículas recém-nascidas tenham uma velocidade superior a metade da velocidade da luz. A frequência esperada de tais eventos é tão rara que não permitirá que uma quantidade significativa de energia seja obtida.
Portanto, os cientistas estão procurando ativamente por outros mecanismos.Por exemplo, Stephen Hawking mostrou que os buracos negros podem liberar energia por meio da radiação de calor. Outra forma de extrair energia é o processo Blanford-Znaek, baseado na interação eletromagnética.
Luca Comisso, da Columbia University, e Felipe A. Asenjo, da Adolfo Ibanez University, descrevem outra alternativa ao processo Penrose em seu artigo.
Os buracos negros são cercados por plasma quente, partículasque têm um campo magnético. A base de um novo mecanismo de obtenção de energia de buracos negros em rotação é a reconexão das linhas do campo magnético dentro da ergosfera. Neste caso, o buraco negro deve estar em um campo magnético externo, ter um grande spin (a ~ 1) e o plasma circundante com forte magnetização. As propriedades necessárias são possuídas, por exemplo, por buracos negros formados como resultado de explosões de raios gama longas e curtas e buracos negros supermassivos em núcleos galácticos ativos.
A reconexão magnética acelera parte do plasma ema direção de rotação do furo. A outra parte acelera na direção oposta e cai além do horizonte de eventos. A liberação de energia, como no mecanismo de Penrose, ocorre se o plasma absorvido tiver energia negativa, e o acelerado “escapar” da ergosfera. A diferença é que a formação de partículas com energia negativa requer dissipação da energia do campo magnético. No processo descrito por Penrose, apenas a inércia das partículas desempenha um papel.
Como dizem os cientistas, a eficiência do processo descrito é de 150por cento. Isso significa que o processo permite que você obtenha uma vez e meia mais energia do que o necessário para sua implementação. É possível alcançar uma eficiência de mais de 100 por cento, porque as partículas de plasma liberadas da ergosfera carregam a energia do buraco negro. A descoberta de um novo mecanismo de extração de energia de buracos negros permitirá aos astrônomos estimar melhor seu momento de rotação e entender como eles irradiam energia. A descoberta ainda está longe de ter aplicação prática: é necessário descobrir como voar até o buraco negro e colocar algo em sua ergosfera sem cair além do horizonte de eventos.
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