Até a ciência duvidou! Como buracos negros passaram de ficção a realidade

Buracos negros — cuja gravidade é tão extrema que nem mesmo luz pode escapar — cativam nossas mentes há gerações. Mesmo assim, apenas recentemente tivemos evidência concreta de que buracos negros existem no nosso universo. O prêmio Nobel de Física de 2020 foi dado a contribuições teóricas e experimentais que culminaram na detecção e confirmação de que buracos negros estão presentes em todo o universo, inclusive no centro da nossa própria galáxia, a Via Láctea.

Desde o século XVIII astrônomos já especulavam sobre estrelas com campo gravitacional tão forte que nem mesmo a luz poderia escapar. Mas a ideia só começou a ser levada a sério no século XX.

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Com o advento das teorias da relatividade restrita e geral, a importância da velocidade da luz tornou-se evidente. É impossível se movimentar mais rapidamente do que um raio de luz, e a luz sofre ação da gravidade tanto quanto uma maçã caindo da árvore, ou humanos subindo escadas.

Logo após a formulação da relatividade geral, em 1916, Karl Schwarzschild demonstrou que uma estrela suficientemente compacta tem uma região da qual nada pode escapar, nem luz. Até aí, a proposta de Schwarzschild não parecia revolucionária. Porém, o preço a se pagar por criar essa região inescapável foi enorme. Schwarzschild demonstrou não só que a escapada dessa região seria impossível, mas que o espaço e o tempo terminam dentro dessa estrela.

A matemática da relatividade geral implicava um efeito físico bizarro, e a solução de Schwarzschild foi criticada pela maioria dos físicos da época, inclusive Einstein. Schwarzschild provavelmente considerou um cenário muito idealizado, e certamente no mundo real a descrição da estrela não teria essa região inescapável.

Nos anos 30, o debate foi reanimado por um artigo de Robert Oppenheimer (o pai da bomba atômica) e o então estudante de pós-graduação Hartland Snyder. Eles consideraram o processo de formação de uma estrela, usando como ponto de partida uma nuvem de poeira sobre a influência da gravidade. Com o tempo, as partículas de poeira começam a se atrair, e Oppenheimer e Snyder demonstraram que inevitavelmente a nuvem se concentra em uma estrela idêntica a proposta por Schwarzschild, com as mesmas características bizarras.

Dois russos, Lifshitz e Khalatnikov, contestaram as conclusões. Mais uma vez, a objeção foi que a situação considerada por Oppenheimer e Snyder foi idealizada demais. No mundo real, seria impossível ter uma nuvem de poeira tão simétrica, ordenada, e sem nenhum mecanismo de repulsão contra a gravidade — afinal, quando levantamos uma xícara de café da mesa, nossos músculos vencem a influência de todo o planeta Terra em atrair a xícara para o chão. No universo caótico e desorganizado, dificilmente uma estrela colapsaria em um objeto tão surreal.

Nos anos 60, surge um novo tipo de astronomia. Além de luz visível, astrônomos começaram a observar o céu usando ondas de rádio. Em 1964, uma estrela foi observada emitindo uma quantidade enorme de ondas de rádio. Tal estrela, chamada de "quasar", emitia tanta radiação quanto a nossa galáxia, com bilhões de estrelas!

Uma hipótese para explicar a existência dessa estrela tão poderosa foi a de que ela seria um buraco negro. No processo de engolir gás e crescer cada vez mais, o buraco negro deixava um tanto de gás escapar de sua enorme atração gravitacional, e esse gás era acelerado a energias enormes, gerando as ondas de rádio observadas na Terra. Uma hipótese fascinante. Mas aparentemente impossível de ser testada — afinal, nem em teoria acreditava-se que buracos negros seriam formados.

Motivado pela descoberta de quasares, um jovem físico chamado Roger Penrose resolveu investigar as objeções contra a existência de buracos negros. Penrose era formado em matemática e geometria, e estava começando uma carreira em física. A relatividade geral é uma teoria geométrica — o espaço e o tempo são tecidos, deformados por estrelas, planetas, seres humanos. O papel das equações de Einstein é mostrar como o tecido é deformado de acordo com a matéria presente no universo.

Penrose usou ideias vindas de geometria, e ao invés de resolver um problema específico, como Oppenheimer e Snyder, produziu um argumento geral. O teorema de Penrose é um resultado de existência: ele não diz nada sobre como os buracos negros surgem, onde vão surgir, com que tamanho, etc., mas garante que em condições bastante genéricas, como em uma nuvem de gás no centro galático, a formação de um buraco negro é inevitável.

A ideia crucial foi geométrica. Penrose demonstrou que mesmo antes de um buraco negro se formar, há determinadas "dobras" no tecido do espaço-tempo que, depois de formadas, não podem desaparecer, não importa o que se faça. Essas dobras inevitavelmente evoluem para um buraco negro. Uma analogia seria que o tecido teria uma dobra tão forte que nem mesmo com ferro de passar roupas a vapor você removeria essa dobra! Além disso, Penrose demonstrou que a formação dessas dobras é genérica. Então a hipótese de quasares serem buracos negros não parecia mais tão absurda.

O teorema de Penrose deu nova vitalidade a teoria da relatividade geral, e gerou uma renascença na área. Muito notável é que o teorema original de Penrose foi generalizado no final da década de 60 em conjunto com um jovem estudante chamado Stephen Hawking. Infelizmente, como prêmios Nobel não podem ser entregues postumamente, Hawking não foi agraciado essa semana.

Após os trabalhos de Penrose e Hawking, a ideia de que buracos negros são formados e estão espalhados pelo nosso universo se tornou cada vez mais plausível no meio científico. Porém, confirmação experimental é sempre a última palavra. Buracos negros serem inevitáveis no papel é diferente de serem observados na prática.

Desde o final da década de 80, meados da década de 90, os grupos de Reinhard Genzel e Andrea Ghez, na Alemanha e nos Estados Unidos, vêm produzindo observações de estrelas orbitando o centro da Via Láctea, cada vez mais impressionantes. Esses cientistas e seus colaboradores desenvolveram novas técnicas para observar estrelas no centro da nossa galáxia.

A estrela mais próxima do centro da galáxia, chamada S2, completa uma órbita em 15 anos. Mesmo a 26 mil anos-luz do planeta Terra, os grupos de Genzel e Ghez conseguiram observar a estrela completar a sua órbita e produziram vídeos mostrando S2 e uma série de outras estrelas orbitando o centro da galáxia. Através do formato das órbitas, e da ausência de qualquer fonte luminosa no centro, Genzel e Ghez demonstraram que o objeto no centro da nossa galáxia é, de fato, um buraco negro!

Atualmente, temos várias evidências de que buracos negros estão presentes em todo o universo, através da observação de quasares, da detecção de ondas gravitacionais (agraciada com o prêmio Nobel de 2017), de raios cósmicos dos centros galáticos, da imagem de gás ao redor do centro galático na constelação M87 (a famosa imagem de um buraco negro, de 2019) etc.

Ainda assim, os vídeos produzidos pelos grupos de Genzel e Ghez são fascinantes, e demonstram claramente que na nossa vizinhança, nossa Via Láctea tem bem no seu centro um enorme buraco negro.

Buracos negros continuam produzindo fascínio na mente de cientistas e leigos, sendo também citados em várias obras de ficção. Com os trabalhos dos cientistas agraciados pelo prêmio Nobel de 2020, agora sabemos que eles não são fictícios, mas basicamente inevitáveis, e existentes em abundância.

O que acontece do outro lado de um buraco negro? Essa é uma das questões centrais da física teórica contemporânea, obra de muito debate e espaço para novas ideias. Ainda não sabemos se o que Schwarzschild previu —o fim do espaço e do tempo— de fato ocorre dentro de um buraco negro. Provavelmente, a resposta final será muito mais surpreendente do que qualquer obra de ficção.

*Guilherme Pimentel é pesquisador no instituto de física da Universidade de Amsterdã na Holanda. Tem graduação em engenharia eletrônica e mestrado em física pelo ITA. Fez doutorado em física na Universidade de Princeton e trabalhou como pesquisador na Universidade de Cambridge. Sua pesquisa é focada em cosmologia e física de partículas; em particular, em propor novas teorias para explicar a expansão acelerada do universo.