Buracos negros: o que são e como se formam

Se fosse possível apertar a Terra inteira, com oceanos, montanhas e cidades, até ela caber em uma bola de gude, nosso planeta viraria um buraco negro. Ninguém tem como fazer isso, claro, mas a imagem ajuda a entender o essencial: buracos negros não são buracos no sentido comum da palavra, e sim uma quantidade enorme de matéria espremida em um espaço pequeno demais. Nesse ponto, a gravidade fica tão forte que nem a luz consegue escapar.

Parece ficção científica, e durante décadas muitos físicos desconfiaram que fosse mesmo. Hoje esses objetos são observados, medidos e até fotografados. A história de como se formam começa em um lugar bem conhecido por qualquer pessoa: uma estrela no céu.

A luta que mantém uma estrela acesa

Toda estrela vive em um cabo de guerra. A gravidade puxa o gás para o centro, tentando esmagá-lo. Lá no núcleo, a fusão nuclear transforma hidrogênio em hélio e libera energia, que empurra tudo para fora. Enquanto as duas forças se equilibram, a estrela brilha estável, como o nosso Sol faz há cerca de 4,6 bilhões de anos.

O problema aparece quando o combustível acaba. Estrelas muito maiores que o Sol, em geral com mais de 20 vezes a massa dele, passam a fundir elementos cada vez mais pesados até formar ferro no núcleo. Fundir ferro não libera energia, e aí o cabo de guerra se rompe de repente.

Da supernova ao ponto sem retorno

A sequência de acontecimentos no fim da vida de uma estrela gigante é uma das mais violentas do universo:

1. O núcleo perde sustentação. Sem a pressão da energia, ele desaba sobre si mesmo em uma fração de segundo.
2. As camadas externas são lançadas ao espaço. Essa explosão é a supernova, que pode brilhar por semanas mais do que uma galáxia inteira.
3. O que sobrou continua caindo. Se o resto do núcleo tiver massa suficiente, nada conhecido na física consegue frear o colapso.
4. Surge o horizonte de eventos. É a fronteira invisível a partir da qual nada volta, nem a luz.

Quando a estrela não é tão grande assim, o colapso para antes e sobra uma estrela de nêutrons, objeto minúsculo e densíssimo, do tamanho de uma cidade. O Sol não terá nenhum desses dois destinos. Daqui a alguns bilhões de anos ele deve inchar e depois encolher até virar uma anã branca, um astro pequeno que vai esfriando devagar. Para saber mais sobre a nossa vizinhança, veja o texto sobre o sistema solar e seus planetas.

Por que a luz não consegue sair

Para escapar da Terra, um foguete precisa atingir cerca de 11 quilômetros por segundo. Essa é a velocidade de escape do nosso planeta. Quanto mais massa concentrada em menos espaço, maior ela fica. Dentro do horizonte de eventos, a velocidade necessária ultrapassaria a da luz, que é de quase 300 mil quilômetros por segundo e funciona como limite máximo na natureza.

Uma imagem usada por físicos ajuda: pense em um rio que corre cada vez mais rápido em direção às Cataratas do Iguaçu. Longe da queda, um bom nadador vence a correnteza. Perto da borda, a água anda mais rápido do que qualquer pessoa consegue nadar, e não há esforço que resolva. O horizonte de eventos é essa linha, com a diferença de que ali o que corre é o próprio espaço, e o nadador mais veloz possível é a luz.

Três tamanhos muito diferentes

Os astrônomos separam os buracos negros principalmente pela massa, comparada à do Sol:

Tipo	Massa aproximada	Exemplo ou origem
Estelar	De algumas a dezenas de vezes a do Sol	Morte de estrelas gigantes, como Cygnus X-1
Intermediário	De centenas a milhares de vezes	Raros e ainda difíceis de confirmar
Supermassivo	De milhões a bilhões de vezes	Centro das grandes galáxias, como Sagitário A*

A origem dos supermassivos continua sendo uma das perguntas abertas da astronomia. Eles podem ter crescido engolindo gás e se fundindo com outros buracos negros ao longo de bilhões de anos, mas alguns já parecem enormes em épocas muito antigas do universo, o que intriga os pesquisadores.

Como se enxerga algo que não emite luz

Um buraco negro não aparece diretamente, mas denuncia a própria presença. Existem três pistas principais:

• Estrelas em órbita. Quando estrelas giram rápido ao redor de um ponto escuro, dá para calcular quanta massa existe ali. Foi acompanhando estrelas no centro da Via Láctea que Reinhard Genzel e Andrea Ghez dividiram o Nobel de Física de 2020, junto com Roger Penrose, autor de trabalhos teóricos sobre o tema.
• Gás superaquecido. O material que gira ao redor do buraco negro antes de cair atinge temperaturas altíssimas e emite raios X e ondas de rádio.
• Ondas gravitacionais. Em setembro de 2015, os detectores LIGO, nos Estados Unidos, registraram pela primeira vez uma vibração no próprio espaço causada pela fusão de dois buracos negros.

A cena mais famosa veio em abril de 2019. Uma rede de radiotelescópios espalhados pelo planeta, o Event Horizon Telescope, divulgou a primeira imagem da sombra de um buraco negro, no centro da galáxia M87. Ele fica a cerca de 55 milhões de anos-luz e tem massa estimada em 6,5 bilhões de sóis. O anel alaranjado da foto é gás quente, e a mancha escura no meio é a região de onde a luz não chega até nós. Em 2022 a mesma equipe mostrou Sagitário A*, o buraco negro central da nossa galáxia.

Olhando daqui do Brasil

Quem mora no Brasil está bem posicionado para essa curiosidade. Nas noites de inverno, longe das luzes da cidade, a constelação de Sagitário fica alta no céu, e a faixa leitosa da Via Láctea parece mais larga e brilhante nessa direção. É para lá que está o centro da galáxia, com Sagitário A*, que tem massa de cerca de 4 milhões de sóis e fica a uns 26 mil anos-luz. Não dá para ver o buraco negro, nem com telescópio caseiro, mas dá para apontar o dedo para ele.

O buraco negro mais próximo conhecido até o momento é bem menor. Chamado Gaia BH1, foi anunciado em 2022, tem perto de 10 vezes a massa do Sol e está a cerca de 1.560 anos-luz da Terra. É uma distância segura: a luz leva mais de mil e quinhentos anos para fazer o trajeto.

Ideias erradas que o cinema espalhou

Buraco negro não é um aspirador cósmico. A gravidade dele funciona como a de qualquer outro objeto com a mesma massa. Se o Sol fosse trocado por um buraco negro de massa igual, algo impossível na prática, a Terra continuaria na mesma órbita. Faltaria luz e calor, mas o planeta não seria sugado.

Quem cai não some de uma hora para a outra. Perto de um buraco negro pequeno, a gravidade nos pés de uma pessoa seria tão maior que na cabeça que o corpo seria esticado como macarrão. Os físicos chamam isso, com bom humor, de espaguetificação. Em um supermassivo, esse efeito só ficaria forte bem depois do horizonte.

O tempo não corre igual para todos. A relatividade de Einstein prevê que, quanto mais forte a gravidade, mais devagar passa o tempo em relação a quem está longe. Para um observador distante, algo caindo no buraco negro pareceria ficar cada vez mais lento e apagado, sem nunca cruzar a fronteira.

Eles não duram para sempre, ao menos na teoria. Em 1974, Stephen Hawking calculou que buracos negros deveriam perder energia muito lentamente. Essa radiação nunca foi detectada, e para um buraco negro estelar o processo levaria um tempo imensamente maior que a idade atual do universo.

Uma ideia que nasceu antes de ter nome

Já em 1783 o inglês John Michell imaginou “estrelas escuras”, tão pesadas que a luz não sairia delas. A matemática moderna veio em 1916, quando Karl Schwarzschild resolveu as equações de Einstein enquanto servia no front da Primeira Guerra Mundial. O nome buraco negro só se popularizou no fim dos anos 1960, com o físico John Wheeler. Até ali, o assunto parecia mais um exercício de quadro-negro do que um objeto real.

O que acontece no centro de um buraco negro continua sem resposta. As equações atuais preveem um ponto de densidade infinita, chamado singularidade, e isso geralmente é sinal de que a teoria chegou ao limite. Entender esse lugar provavelmente exigirá unir a relatividade à física quântica, tarefa que ainda ninguém concluiu.