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  1. 1. PRESIDENTA DA REPBLICA Dilma Rousseff MINISTRO DE ESTADO DA CINCIA, TECNOLOGIA E INOVAO Marco Antonio Raupp SUBSECRETRIO DE COORDENAO DAS UNIDADES DE PESQUISA Arquimedes Digenes Ciloni DIRETOR DO CBPF Fernando Lzaro Freire Jnior COORDENAO do projeto DESAFIOS DA FSICA Joo dos Anjos (Centro Brasileiro de Pesquisas Fsicas/MCTI) EDITORES CIENTFICOS George E. A. Matsas (Instituto de Fsica Terica/Universidade Estadual Paulista) Daniel A. T. Vanzella (Instituto de Fsica de So Carlos/Universidade de So Paulo) REDAO E EDIO DE TEXTO Cssio Leite Vieira (Instituto Cincia Hoje) PROJETO GRFICO, DIAGRAMAO, INFOGRFICOS E TRATAMENTO DE IMAGEM Ampersand Comunicao Grfica (ampersand@amperdesign.com.br) CENTRO BRASILEIRO DE PESQUISAS FSICAS Rua Dr. Xavier Sigaud, 150 22290-180 - Rio de Janeiro - RJ Tel: (0xx21) 2141-7100 Fax: (0xx21) 2141-7400 Internet: http://www.cbpf.br Para receber gratuitamente pelo correio um exemplar deste folder, envie pedido pelo stio do projeto Desafios da Fsica (http://mesonpi.cat.cbpf.br/desafios/), onde esto disponveis, em formato PDF, os folders da srie. No portal http://www.cbpf.br/Publicacoes.html, esto disponveis outras iniciativas de divulgao cientfica do CBPF. MATSAS, G. e VANZELLA, D. Buracos negros rompendo os limites da fico (Rio de Janeiro: Vieira & Lent, 2008). MATSAS, G. e VANZELLA, D. Partculas elementares luz dos buracos negros. Cincia Hoje n. 182, maio de 2002. MATSAS, G. e VANZELLA, D. O vcuo quntico cheio de surpresas. Scientific American Brasil, agosto de 2003. CASTIEIRAS, J., CRISPINO, L. e MATSAS, G. Horizonte de eventos. Scientific American Brasil, outubro de 2004. CASTIEIRAS, J., CRISPINO, L., MATSAS, G. e VANZELLA, D. Buracos negros. Scientific American Brasil (coleo Gnios da Cincia), maio de 2006. CASTIEIRAS, J., CRISPINO, L., MATSAS, G. e VANZELLA, D. Singularidade e Informao.Scientific American Brasil (coleo Gnios da Cincia), maio de 2006. FREITAS-PACHECO, J. A. de. Buracos negros supermassivos os segredos revelados. Cincia Hoje n. 293, junho de 2012. Fontes Sumrio DE CURIOSIDADE A REALIDADE Coqueluche da astrofsica Algo de novo no front HORIZONTE E SINGULARIDADE Nada alm do horizonte Ponto denso Terra em um ponto Cama de malabarista Bolinhas de gude NASCIMENTO E EVOLUO Puxa e empurra Patamar mnimo Mesma atrao Redemoinho e canibalismo BuracosNegros Devoradorescsmicosdematriaeluz BURACOS NEGROS Devoradores csmicos de matria e luz PARADOXOS E ENTROPIA Paradoxo da baguna Eles tm entropia! Como uma panela quente Matria e antimatria GRANDES QUESTES Evaporao e sumio Para onde vai a informao? Gravitao quntica Como o Big Bang Centro Brasileiro de Pesquisas Fsicas 2012 m dos corpos celestes que despertam maior curiosidade hoje em dia so os buracos negros, regies do espao onde existem verdadeiros ralos csmicos: sugam tudo que deles se aproxima demasiadamente, tamanha a fora gravitacional que exercem. Diferentemente das estrelas que podemos ver por meio da luminosidade que emitem , esses objetos no deixam escapar nem mesmo a luz da, o nome buracos negros. Ultrapassada uma linha imaginria de atrao fatal o chamado horizonte de eventos , no h como se evadir do abrao mortal: tudo engoli- do por esse sorvedouro de matria e luz. Embora invisveis aos telescpios, esses corpos csmicos podem, entretan- to, ser identificados bem como previstos e reconhecidos pela perturbao que causam sua volta: discos, jatos e redemoinhos de matria ao seu redor. Buracos negros so objetos bastante comuns no cosmos. E, at mesmo nos- sa galxia, a Via Lctea, tem um (poderoso) em seu centro. Felizmente, nosso planeta est bem longe de seus tentculos... Com este folder, damos prosseguimento s atividades de divulgao cien- tfica realizadas pelo CBPF. Esta srie destina-se ao pblico no especializado, que encontrar aqui informaes sobre grandes temas da fsica, bem como re- ferncias para leituras mais aprofundadas. Mais uma vez, esperamos que esta iniciativa sirva para despertar vocaes, mostrando a jovens estudantes como a cincia pode ser interessante. Joo dos Anjos COORDENADOR DO PROJETO DESAFIOS DA FSICA U
  2. 2. DE CURIOSIDADE A REALIDADE PARADOXOS E ENTROPIAHORIZONTE E SINGULARIDADE Nada alm do horizonte A definio mo- derna de buraco negro por sinal, o nome bura- co negro foi inveno do fsico norte-americano John Wheeler (1911-2008), em 1967 a de uma regio do espao dotada de intensa gravidade, da qual nada, nem mesmo a luz, consegue esca- par. A fronteira imaginria (imaterial) que deli- mita tal regio foi batizada, em 1950, horizonte de eventos pelo fsico de origem austraca Wolf- gang Rindler. Se nada escapa de um buraco ne- gro, ento um observador de fora do horizonte de eventos no poderia ver o que se passa para alm dessa fronteira imaginria, assim como um marinheiro no pode ver alm do horizonte nesse caso, devido curvatura da Terra. Ponto denso Esse intenso puxo gravitacio- nal vem do fato de, no centro do buraco negro, haver uma singularidade, ou seja, um ponto que concentra uma densidade impressionantemente alta de matria, algo que pode chegar a bilhes de massas solares. Nesse ponto sem dimenses fsicas e no importa quo grande seja a mas- sa do buraco negro , as leis conhecidas hoje pela fsica no so mais vlidas. Terra em um ponto O tamanho do horizon- te de eventos diretamente proporcional mas- sa da singularidade, que pode variar de poucas massas solares a bilhes delas estes ltimos denominados buracos negros supermassivos. Em princpio, todo corpo com massa teria seu horizonte de eventos se fosse suficientemente compactado. Caso pudssemos concentrar toda a massa da Terra em um ponto, teramos um horizonte de eventos da ordem de nfimos 9 mm. J, num buraco negro com bilhes de mas- sas solares, essa cifra iria para a casa dos bi- lhes de km. Cama de malabarista Para entender o que ocorre com a matria e mesmo a luz que se apro- ximam de um horizonte de eventos, a analogia mais empregada a de uma grande cama elsti- ca, como aquelas usadas por malabaristas de circo. Sobre ela, depositamos uma diminuta, mas pesadssima esfera que ir deformar a cama, criando uma depresso. Nessa analogia, a cama faz o papel do espao-tempo, um tecido forma- do por trs dimenses espaciais (altura, largura e comprimento) e uma dimenso temporal (tem- po), como foi previsto pela relatividade geral. A esfera seria o buraco negro, que deforma bru- talmente o espao-tempo em seu redor. Bolinhas de gude Uma bolinha de gude que fosse atirada com alguma velocidade a partir da borda da cama elstica poderia sofrer um leve desvio ao passar pelas proximidades da defor- mao central causada pela esfera e, depois disso, seguir sua trajetria. Mas, se a veloci- dade de arremesso fosse baixa, a bolinha seria sugada para o interior da deformao, espira- lando, como a gua que escorre por um ralo. Luz e matria que ultrapassam o horizonte de even- tos tm destino semelhante: acabam no interior do buraco negro, indo rumo singularidade. Coqueluche da astrofsica Se eleio fosse feita entre o grande pblico para indi- car qual o corpo celeste mais extico, (bem) possvel que nas primeiras colocaes tal- vez, at como vencedores estivessem os bu- racos negros. Afinal, esses objetos csmicos, que se tornaram a coqueluche da astrofsica, tm atributos suficientes para merecer tal po- pularidade. Talvez, o principal deles tenha a ver com o fato de serem devoradores inces- santes de matria e luz sim, nem mesmo os ftons (corpsculos de luz) conseguem esca- par da fria sugadora de um buraco negro, caso dele se aproximem. Algo de novo no front At a dcada de 1960, buracos negros no passavam de mera curiosidade terica. A predio desses ralos csmicos surgiu em 1916 de clculos feitos com base na teoria da relatividade geral, pu- blicada naquele ano pelo fsico de origem ale- m Albert Einstein (1879-1955). O feito do astrofsico alemo Karl Schwarzschild (1876- 1916), enquanto ele combatia na frente russa na Primeira Guerra Mundial. Cerca de duas dcadas depois, o prprio Einstein diria no acreditar na realidade desses corpos. Hoje, com tantos dados experimentais, pratica- mente impossvel refutar a existncias desses gigantes da gravidade. NASCIMENTO E EVOLUO Como uma panela quente Mas dizer que buracos negros tm entropia levou a outra ques- to importante: se esses gigantes da gravidade tm entropia retrucaram alguns fsicos , en- to, eles deveriam ter tambm outros atributos termodinmicos, como temperatura. Em outras palavras, deveriam emitir radiao. Hawking, disposto a mostrar que buracos negros no ti- nham entropia (e, portanto, temperatura), che- gou, em 1974, a uma concluso surpreenden- te: buracos negros tm temperatura, ou seja, irradiam energia, como se fossem uma panela quente. Essa emisso de energia hoje conhe- cida como radiao Hawking. Matria e antimatria Hawking chegou concluso de que buracos negros irradiam ener- gia quando adicionou, teoria da relatividade geral, elementos da mecnica quntica (teoria que lida com os fenmenos da dimenso atmi- ca e subatmica). Esse processo basicamente assim: na borda do horizonte de eventos, den- tro e fora dessa fronteira imaginria, pululam pares de partculas e antipartculas virtuais (eltrons e psitrons, por exemplo) que formam o chamado vcuo quntico. Por vezes, alguns desses pares se materializam ou seja, passam de virtuais a reais , de tal forma que uma das partculas do par surge dentro do horizonte de eventos e sugada pelo buraco negro , en- quanto a outra escapa, dando origem radiao Hawking. Paradoxo da baguna Tire o lixo de um lu- gar e jogue-o em outro. O primeiro local ficou mais organizado, mas o segundo perdeu orga- nizao. Mas e se jogssemos esses rejeitos em um buraco negro? Eles e a informao que eles carregam estariam perdidos para sempre. E o universo se tornaria um local mais organizado. Portanto, toda vez que um buraco negro suga matria e energia (ou seja, informao), o uni- verso fica mais organizado. Eis a um aparente paradoxo, pois uma lei poderosssima da fsica (a 2 lei da termodi

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