O documento descreve a história e propriedades dos buracos negros, desde as primeiras ideias de Michell e Laplace sobre "estrelas negras" até as descobertas modernas. Aborda a formação de buracos negros a partir do colapso gravitacional de estrelas massivas, além de explicar como observamos buracos negros através de raios-X, ondas gravitacionais e o Event Horizon Telescope.

1. Buracos Negros: uma breve história
Denis Campos Rodrigues
PPGCosmo - UFES
Campos dos Goytacazes - 2022

2. Breve Histórico
• John Michell e estrelas negras
Durante 1783, o geólogo John Michell escreveu
uma carta a Henry Cavendish delineando as
propriedades esperadas das estrelas escuras,
publicadas pela Royal Society em seu volume de
1784.
• Pierre-Simon Laplace
Em 1796, o matemático Pierre-Simon Laplace
promoveu a mesma ideia na primeira e segunda
edições do seu livro Exposição do sistema mundial
(Exposition du système du Monde),
independentemente de Michell.
Estrelas Negras

3. Breve Histórico
Relatividade Geral e Buracos Negros
• Albert Einstein
Relatividade geral, também conhecida como
teoria da relatividade geral, é uma teoria
geométrica da gravitação publicada por Albert
Einstein, em 1915, e a descrição atual da
gravitação na física moderna.
• Karl Schwarzschild
Encontrou, em 1916, a solução que descreve o
campo gravitacional externo a um corpo
esférico, porém sem rotação de massa, podemos
considerar uma aproximação para o caso de uma
estrela, um planeta ou um buraco negro.

4. • Buraco negro é uma região do espaço-tempo em
que o campo gravitacional é tão intenso que nada,
nem mesmo a luz pode escapar.
O que é um buraco negro?
• Buraco negro é o estágio final de uma estrela
• A região limite da região da qual nada escapa é
chamada de horizonte de eventos.
• Toda a massa do buraco negro se concentra em um
único ponto chamado de singularidade.

5. Estrutura de uma buraco negro

6. Distorção do espaço-tempo
• Grandes massas são capazes de distorcer o espaço e,
consequentemente, o tempo.

7. Distorção do espaço-tempo
• Um buraco negro distorce o espaço-tempo infinitamente

8. Modelos teóricos
• Buraco negro de Schwarzschild
Os buracos negros de Schwarzschild são aqueles que não
possuem carga elétrica e não rotacionam em torno do seu eixo.
• Buraco negro de Reissner-Nordstrom
Os buracos negros de Reissner-Nordstrom possuem carga
elétrica mas não rotacionam em torno do seu eixo.
• Buraco negro de Kerr
Os buracos negros sem carga elétrica que rotacionam em torno
do seu eixo.
• Buraco negro de Kerr-Newman
Os buracos negros com carga elétrica que rotacionam em torno
do seu eixo.

9. Tipos de buracos negros: origem
• Primordiais
Preditos teoricamente, são buracos negros que
se formaram no início do universo
• Buracos negros estelares
Buracos negros originados da fase final da vida
de uma estrela
• Buracos negros supermassivos
Buracos negros que existem nos centros de
algumas galáxias

10. Origem de buracos negro estelar
Colapso gravitacional
• Nas estrelas ocorre um processo fusão
nuclear que tende a empurrar o
hidrogénio dentro da estrela para fora
dela.
• Ao mesmo tempo, ocorre outro processo
gravidade que tende a empurrar todo o
hidrogénio novamente para dentro.
• Estas duas forças estão em equilíbrio
em grande parte da vida da estrela.

11. Colapso gravitacional
• Nebulosa Planetária
Estrelas com massas entre 0,07 a 10M☉
transformam-se em anãs brancas.
• Supernova
Estrelas com massas entre 10 a 25M☉
tornan-se em estrelas de nêutrons.
Estrelas com massas acima de 25M☉
tornan-se em buracos negros.
Ao colapsar, a estrela implode formando:
Origem de buracos negro estelar

12. Origem de buracos negro estelar

13. Origem de buracos negro estelar

14. Colapso Gravitacional
• Anã branca: massa até 1,4M☉
• Estrela de nêutrons: massa entre 1,4
a 2,16M☉
• Buraco negro: massa acima de
2,16M☉
Massas remanecentes
Origem de buracos negro estelar
A anã branca tem cerca de 1,35 vezes a
massa do nosso sol.

15. Buracos negro supermassivo
• É uma classe de buracos negros
encontrados no centro das galáxias.
• Foram formados por imensas nuvens de
gás ou por aglomerados de milhões de
estrelas que colapsaram.
• É o maior tipo de buraco negro, com
massa na ordem de milhões a bilhões de
vezes a massa do Sol.
Sagittarius A* (raios-x)
M87 (Telescópio Hubble)
A concepção artística de um buraco negro supermassivo

16. Buracos negro supermassivo
• Anatomia de um Buraco Negro Supermassivo

17. Como observamos um objeto?

18. Detecção de buracos negros
• Raios-x
• O sistema estelar Cygnus X-1 é uma fonte de raio-X, desde
1964, bem conhecida na constelação de Cisne.
• Cygnus X-1 pertence a um sistema binário distante cerca de
6000 anos luz do Sol que inclui uma estrela supergigante azul
• Um vento estelar da estrela fornece material para um disco
de acreção em torno da origem de raio-X
Imagem de raios-X Chandra de Cygnus X-1
(crédito: NASA / CXC / SAO)

19. Detecção de buracos negros
Acretando matéria e emitindo raios-X

20. Detecção de buracos negros
• Ondas gravitacionais
• Ondas gravitacionais são perturbações na curvatura do
espaço-tempo que se propagam como ondas, viajando para
o exterior a partir da fonte.
• No final de 2015, pesquisadores do projeto LIGO
observaram "distorções no espaço e no tempo" causadas
por um par de buracos negros, com cerca de 30 massas
solares cada um, em processo de fusão.
• As ondas gravitacionais foram previstas pela primeira
vez pela relatividade geral de Einstein em 1915,
quando a tecnologia necessária para a sua detecção
ainda não existia.
• Como resultado da fusão, a energia liberada foi equivalente
a 3 massas solares.

21. Detecção de buracos negros
• Ondas gravitacionais
Interferometro LIGO em Hanford
Interferometro LIGO em Hanford, EUA

22. Detecção de buracos negros
• Ondas gravitacionais
Vídeo: Colaboração LIGO

23. Detecção de buracos negros
• Ondas gravitacionais
Vídeo: Colaboração LIGO

24. Detecção de buracos negros
• Ondas gravitacionais
Vídeo: Colaboração LIGO

25. Detecção de buracos negros
• Ondas gravitacionais
Em 3 de outubro de 2017, o Prémio Nobel de Física foi atribuído a
Rainer Weiss, Barry Barish e Kip Thorne “por contribuições decisivas
para o detector LIGO e a observação de ondas gravitacionais”

26. Detecção de buracos negros
• Event Horizon Telescope
• O Event Horizon Telescope (EHT) é um projeto para
criar um grande conjunto de telescópios, para formar
uma rede global de radiotelescópios e combinar os
dados de várias estações espalhadas por toda a Terra.
• O objetivo é observar o ambiente nas imediações do
buraco negro supermassivo Sagitário A*, no centro da
Via Láctea, e também o buraco negro, ainda maior, no
centro da galáxia elíptica supergigante M87

27. Detecção de buracos negros
• Event Horizon Telescope
• A primeira imagem do buraco negro na galáxia M87
foi publicada em 10 de abril de 2019
Imagem captada pelo EHT collaboration

28. Detecção de buracos negros
• Event Horizon Telescope
• Como entender a imagem?

29. Detecção de buracos negros
• Event Horizon Telescope
• Como entender a imagem?

30. Detecção de buracos negros
• Event Horizon Telescope

31. Buracos negros são eternos?
• Radiação Hawking
• Proposta por Stephen Hawking, 1974.
• Em pequenas escalas do Universo, há
uma atividade intensa causada pelas
flutuações do vácuo quântico. Tais
flutuações geram pares de partículas–
antipartículas ditas virtuais.
• Nas proximidades do horizonte dos
eventos, o forte campo de maré do
buraco negro pode ocasionalmente
separar os pares virtuais impedindo a
aniquilação mútua

32. Buracos negros são eternos?
• Radiação Hawking
• Como o buraco negro emite
radiação, ele evapora!
• O tempo estimado para um
buraco negros evaporar ≅ 1067
anos.
• A idade do Universo é estimada
em ≅ 1010 anos.