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Missão SD-2070-BH Uma viagem à escuridão. Buracos Negros The Universes secret keepers David Sobral, 2004.

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1 Missão SD-2070-BH Uma viagem à escuridão

2 Buracos Negros The Universes secret keepers David Sobral, 2004

3 Mission Silence and Darkness, projectada para o ano 2070 A mais ousada missão até à data A MISSÃO

4 Uma viagem ao buraco negro RX Situado a 50 anos- luz da Terra Uma oportunidade para obtermos um conhecimento fantástico sobre alguns enigmas do Universo

5 Utilizará o buraco de verme WH-4883, descoberto perto da órbita de Plutão SD-2070-BH viaja a altas velocidades, mas com um baixoSD-2070-BH viaja a altas velocidades, mas com um baixo Construído tirando proveito da mais recente tecnologia espacialConstruído tirando proveito da mais recente tecnologia espacial

6 RX tem cerca de 7 massas solares e teve origem numa estrela Por isso é necessário compreender o que ocorre no interior destas e como se mantêm elas num aparente equilíbrio, tal como responder a diversas questões sobre os buracos negros

7 O que se passa no interior de uma estrela? Existem duas forças responsáveis pelo aparente equilíbrio São elas a Gravidade e a Pressão do Calor libertado nas reacções nucleares

8 O Jogo de Forças Enquanto a pressão do calor libertado nas reacções nucleares se opõe à gravidade, a estrela permanece imutável, a grande escala.

9 Quando a Pressão vence Se a pressão do calor conseguir ser superior à gravidade, a estrela explode e aumenta de diâmetro.

10 Quando a gravidade ganha Se a gravidade conseguir ser superior à pressão do calor, a estrela colapsa, podendo dar origem a um buraco negro Quanto mais massa tiver uma estrela, menor será o seu tempo de vida

11 Tipos de Estrelas Quando o colapso gravitacional ocorre, podem formar-se três tipos de estrelas: Anã branca, se o princípio de exclusão de Pauli se aplicar aos electrões (m 1,4 M o ), r Terra – 6400 km Estrela de neutrões, se o princípio de exclusão se aplicar a neutrões e protões (m ]1,4 ; 3[ M o ), r = 100 km Buraco negro, se possuir uma massa demasiado grande para formar uma estrela de neutrões (m 3 M o ), r 0 km M o – massas solares

12 Anã branca Estrela de neutrões Buraco negro

13 Vamos agora viajar pelo Mundo dos Buracos Negros e responder a questões como: De onde surgiu a ideia de buracos negros? O que é um buraco negro? Como se forma?

14 The Adventure begins! De onde surgiu a ideia de buracos negros? Não são fruto da ciência do século XX A ideia de estrelas negras, às quais nem a luz pode escapar, remonta a 1793, com o inglês John Mitchell

15 Albert Einstein, o génio da Teoria da Relatividade A ideia permaneceu na escuridão até ao século XX Albert Einstein apresentou a Teoria da Relatividade Geral Karl Schwarzschild mostrou-se curioso quanto à forma como a gravidade de uma estrela pode afectar a própria luz

16 O que é um buraco negro? Uma forma de uma estrela se reformar Toda a massa da estrela fica contida numa singularidade A distâncias menores do que a do horizonte de acontecimentos, nem a luz pode escapar

17 Contudo, nem todas as estrelas acabam como buracos negros Só as que ultrapassam o Limite de Chandrasekhar (3 M o ) Por isso, o nosso sol não se transformará num

18 Como se forma um buraco negro? O combustível escasseia e a massa da estrela é superior ao limite de Chandrasekhar Toda a massa da estrela é contraída, mais e mais, até uma singularidade, de densidade infinita

19 As trajectórias dos raios de luz vão sendo curvadas, até que a velocidade de escape se torna superior a c

20 Se uma estrela em rotação ( i ) originar um buraco negro, através da Lei da conservação do momento angular ( i x i = f x f ), sabemos que, como o seu raio vai diminuir muito, a sua velocidade angular vai aumentar bastante, tal como a bailarina que ao fechar os braços roda mais depressa

21 Conteúdos importantes Vamos agora analisar aspectos importantes para o estudo destes mistérios cósmicos

22 Gravidade É proporcional ao produto da massa dos 2 corpos e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre eles Em 1915, Einstein mostrou que a gravidade não é uma força, mas sim a geometria do espaço-tempo Fg=G (m1 m2) r2r2

23 Perto de corpos como estrelas, ou planetas, o espaço-tempo está mais curvado Qualquer partícula descreve sempre uma trajectória rectilínea no espaço-tempo curvo A gravidade propaga- se à velocidade da luz

24 A gravidade não depende da densidade A presença de massa (ou energia) curva o espaço-tempo Quanto mais massa possuir um dado corpo, maior curvatura provocará no espaço- tempo E=mc 2

25 A gravidade num buraco negro Os buracos negros não são aspiradores cósmicos A sua gravidade é a mesma da estrela que lhe deu origem (se a massa se mantiver constante), à mesma distância do centro

26 Um buraco negro apresenta, segundo a relatividade geral, uma curvatura infinita do espaço-tempo Contudo, a uma distância x do núcleo de um buraco negro, um corpo y sente a mesma força gravítica que sentia quando o agora buraco negro era uma estrela normal

27 O Horizonte de acontecimentos Fronteira imaginária Distância entre o núcleo do buraco negro e os locais em que a velocidade de escape é superior à da luz Fronteira negra para lá da qual é impossível voltar, porque nada se move mais rápido do que a luz

28 É tanto maior quanto maior for a massa do buraco negro É considerado a sua medida de entropia

29 Desvio gravitacional da luz A luz é composta por partículas, fotões, para além de ser descrita por uma função de onda, e viaja à velocidade c A gravidade também a afecta, curvando a sua trajectória

30 Este efeito foi previsto por Einstein, em 1915, na sua teoria da relatividade geral e comprovado através de vários eclipses solares

31 Assim, torna-se uma forma de podermos detectar um buraco negro no espaço

32 Efeitos de Maré Responsáveis: forças de maré Essas são definidas como as diferenças entre as atracções gravíticas que zonas diferentes de um mesmo objecto sentem

33 Os efeitos de maré são responsáveis pelas marés na Terra

34 A gravidade é mais forte nos extremos em que se verifica maré alta, porque são as zonas que estão mais próximas dos corpos que exercem gravidade A própria Terra é distorcida por este fenómeno

35 Num buraco negro, estes efeitos teriam graves consequências, caso nos aproximássemos demasiado do horizonte de acontecimentos A diferença da gravidade sentida numa ponta do corpo e na outra distorcia-nos e ficávamos como esparguete!

36 Ondas gravitacionais Geradas pela oscilação de objectos maciços Muito difíceis de detectar São perturbações que percorrem o espaço-tempo

37 Previstas pela relatividade geral Propagam-se como as ondas que um objecto provoca ao cair num tanque Podem provocar uma distensão na estrutura dos objectos

38 A ondas gravitacionais diminuem com a distância à fonte, a uma taxa um pouco inferior à da gravidade Num buraco negro em rotação, devido ao seu risco, não se aconselha que se chegue muito perto!

39 Disco de Acreção É constituído por matéria e/ou radiação, que roda em torno do buraco negro Buracos negros em sistemas binários possuem um maior disco de acreção

40 Buracos negros super-maciços, como aqueles que se pensam existir no centro das galáxias, têm discos de acreção gigantes

41 Neste caso, o disco de acreção é formado pela matéria que o buraco negro, através da força de maré, rouba à estrela companheira e que vai mergulhando em direcção ao seu interior

42 Quanto mede o raio de um buraco negro? Devido ao contributo de Shwarzschild, podemos determinar o raio de qualquer buraco negro não- rotativo, desde que saibamos a sua massa. R = 2 GM R é o raio do buraco negro G a constante universal de gravidade, (6,67 x N.m 2 /Kg 2 ) c é a velocidade da luz (3 x 10 8 m/s) M é a massa do buraco negro c 2

43 O que se pode medir num buraco negro? Quando um buraco negro se forma, todas as características dos materiais deixam de ter importância Na verdade, apenas 3 grandezas servem para estudar um buraco negro: Massa Momento angular Carga eléctrica

44 Tipos de buracos negros Existem basicamente 3 tipos de buracos negros, quanto à sua anatomia, e 3 quanto à origem

45 Buracos negros sem rotação e sem carga eléctrica Foram estudados pelo canadiano Werner Israel, em 1967 Os mais simples Perfeitamente esféricos, mesmo que tenham origem em estrelas que o não sejam

46 São descritos por uma solução das equações de Einstein conhecida desde 1917, por Schwarzschild Tamanho depende apenas da massa

47 Buracos negros de Reissner- Nordstrom (sem rotação) Forma esférica Sem rotação Com carga eléctrica Responsáveis: Hans Reissner e Grennar Nordstrom, físicos alemão e holandês

48 Buracos negros com rotação ou de Kerr Estudados, em 1963, pelo neozelandês Roy Kerr Rodam a velocidade constante Tamanho e forma dependem apenas da massa e da velocidade de rotação Roy Kerr

49 Quando a velocidade é nula são iguais aos estudados por Israel Qualquer corpo em rotação que entre em colapso gravitacional e se torne num buraco negro, acabará por se tornar num descrito pela solução de Kerr

50 Buracos negros no centro de galáxias Não consistem em singularidades Muitas vezes menos densos do que a água Contudo, pela grande quantidade de matéria, exercem uma enorme atracção gravitacional e forma-se um horizonte de acontecimentos

51 Crê-se na existência de um, com cerca de vezes a massa do sol, no centro da nossa galáxia Buracos negros com 1000 milhões M o ocorrem no centro dos quasares

52 Buracos negros primevos Sugeridos por Stephen Hawking De massa reduzida, abaixo do limite de Chandrasekhar Contudo, até hoje, nenhum foi detectado

53 Por serem formados a partir da compressão da matéria por pressões exteriores são importantes para: Estudo do Universo e das suas condições iniciais Fontes energéticas para uma sociedade do futuro Mecanismo de formação de um buraco negro primevo ou primordial

54 Buracos negros realizados na Terra? Utilizando a energia de uma bomba de hidrogénio, poderia criar-se um buraco negro O problema é que não ficaríamos cá para assistir!

55 Buracos negros e entropia O horizonte de acontecimentos é a medida de entropia do buraco negro Aumenta sempre que é absorvida matéria Quando há uma colisão, o horizonte de acontecimentos é maior ou igual à soma da área dos dois

56 Os buracos negros não são tão negros! Devido ao facto dos buracos negros terem entropia, Hawking teve que admitir que também tinham temperatura Logo, emitem radiação! Mas nada pode sair de dentro de um buraco negro! Como pode ele radiar? ! ?

57 Um buraco negro pode emitir partículas, segundo a teoria quântica, porque essas não vêm do seu interior, mas das proximidades do horizonte de acontecimentos Partículas virtuais tornam-se reais, retirando energia ao buraco negro e reduzindo-lhe o horizonte de acontecimentos

58 Assim, quanto menos massa têm, mais radiação emitem e mais quentes são Quando diminui o horizonte de acontecimentos, a radiação emitida compensa a diminuição da entropia no interior do buraco negro

59 Evaporação de buracos negros A emissão de radiação e a fuga de partículas reduzem a massa de um buraco primevo a muito pouco, ao fim de milhões de anos A sua temperatura aumenta extraordinariamente Explode, libertando energia equivalente a milhões de bombas de hidrogénio

60 Como detectar um buraco negro? Gravidade que exerce Desvio da luz Emissões de raios X (sistemas binários, em que apenas se observa uma das estrelas – ex. Cygnus X-1 – são fontes intensas de raios X) Temperatura

61 Os buracos negros existem! O últimos anos confirmaram a existência de buracos negros: No centro de dezenas de galáxias Em sistemas binários, como Cygnus X-1 E existem ainda muitos candidatos a buracos negros

62 O tempo e a gravidade A gravidade curva o espaço tempo Faz com que o tempo passe mais lentamente Na Terra o tempo passa mais lentamente do que no espaço

63 No interior de um buraco negro, a curvatura do espaço- tempo é infinita, e o tempo pára Se fosse possível estarmos no seu interior, e olharmos o exterior, talvez víssemos todo o Universo a acabar em poucos segundos, já que um segundo para nós, equivaleria a milhões de anos lá fora

64 Engenharia de buracos negros? Uma civilização muito avançada pode utilizar um buraco negro como reciclador de lixo e fonte de energia! O lixo é deitado para o buraco negro por naves quando atingem um determinado ponto de ejecção O lixo cai, aumentando a massa/energia do buraco negro e a nave extrai energia ao mesmo, que é utilizada numa central e produz electricidade

65 Conversão da massa de repouso do lixo e parte da massa do buraco negro em energia eléctrica, numa civilização avançada

66 Nomes importantes Roger Penrose Stephen Hawking Roy Kerr John A. Wheeler

67 Entrar? SD-2070-BH chega finalmente ao seu destino, o buraco negro RX ! FIM

68 Bibliografia BARROW, John, (2001), A Origem do Universo, Lisboa: Rocco CHOWN, Marcus (2003), The Universe Next Door, Great Britain: Review. EINSTEIN, Albert (2003), O Significado da Relatividade, Lisboa: Gradiva. FERGUSON, Kitty (2000), Prisões de Luz: Os buracos negros, Lisboa: Bizâncio HAWKING, Stephen (2004), Breve história do tempo, Lisboa: Gradiva KAUFMANN III e FREEDMAN (2002), UNIVERSE, W. New York: FREEMAN MAGUEIJO, João (2003), Mais Rápido que a Luz, Lisboa: Gradiva. Internet:


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