O que é um buraco negro? A explicação simples

Um buraco negro é uma quantidade enorme de matéria espremida num espaço pequeno demais — tão espremida que a gravidade ali não deixa nem a luz ir embora. É por isso que ele é negro: nada do que entra consegue voltar para contar como é lá dentro, nem o raio de luz mais rápido do universo. E, apesar do nome, não é um buraco. Não é um vazio, não é uma porta, não é um ralo. É o oposto disso: é coisa demais no lugar de menos.

A NASA faz questão de desfazer esse engano logo de cara, e vale repetir: buracos negros "não são realmente buracos". São concentrações gigantescas de matéria empacotadas em espaços muito pequenos. Este artigo explica o que isso significa na prática, quais são os tipos, que tamanho eles têm de verdade e — a parte mais interessante — como alguém consegue estudar um objeto que, por definição, não pode ser visto.

A fronteira que dá nome à coisa

Todo buraco negro tem uma fronteira chamada horizonte de eventos. É o ponto a partir do qual não há mais volta: quem cruza, fica.

Cuidado com a imagem mental errada. O horizonte de eventos não é uma superfície, como o chão da Terra ou a casca brilhante do Sol. Você não bateria em nada. A NASA o descreve como "uma fronteira que contém toda a matéria que forma o buraco negro" — uma linha invisível no espaço vazio, marcando onde a conta da gravidade passa de um certo limite.

Que limite é esse? O da velocidade de escape: a velocidade que um objeto precisa ter para vencer a gravidade de um corpo e nunca mais cair de volta. Na Terra, são cerca de 40 mil km/h, e essa ideia está explicada em O que é velocidade de escape? O limite para sair da Terra. Dentro do horizonte de eventos, a velocidade de escape seria maior que a da luz. E como nada chega nessa marca, nada sai.

É aí que a palavra "negro" ganha sentido literal. Não é que o objeto seja escuro: é que a luz que entra fica presa lá.

Que tamanho tem um buraco negro?

Aqui está o número que mais surpreende quem pergunta: buracos negros são minúsculos para a quantidade de matéria que carregam.

O tamanho do horizonte de eventos depende só da massa, e a conta é direta. Fizemos essa conta com a fórmula padrão da física, e o resultado para o Sol é o valor conhecido há décadas: se o Sol inteiro virasse um buraco negro, o horizonte de eventos teria cerca de 3 quilômetros de raio. Uma bola de 6 km de ponta a ponta, que dá para atravessar a pé em pouco mais de uma hora, guardando uma estrela de 1,4 milhão de quilômetros de diâmetro.

Com a Terra é pior. A mesma conta dá menos de 9 milímetros de raio: o planeta inteiro caberia numa bola de gude, e a gravidade dela seguiria sendo exatamente a mesma que a Terra tem hoje a essa distância.

Mesmo o monstro do meio da nossa galáxia, com 4 milhões de vezes a massa do Sol segundo a NASA, tem um horizonte de eventos que caberia com folga dentro da órbita de Mercúrio. Ele é descomunal em massa e modesto em tamanho — e é exatamente essa combinação que torna a gravidade dele tão brutal.

Um detalhe que quase ninguém conta: a gravidade não aumenta

Existe um medo comum, e ele não tem fundamento: a ideia de que um buraco negro "suga" tudo em volta, como um aspirador.

Não suga. A gravidade de um corpo depende da massa dele e da distância até ele — e nenhuma das duas muda quando a matéria é espremida. A própria NASA usa esse exemplo: se o Sol fosse trocado por um buraco negro de mesma massa, o Sistema Solar ficaria muito mais frio, mas os planetas continuariam nas mesmas órbitas, girando do mesmo jeito.

O que muda é que agora dá para chegar muito mais perto do centro. Hoje, a 700 mil quilômetros do meio do Sol, você esbarra na superfície. Com um buraco negro no lugar, poderia descer até 3 km do centro — e é lá, pertíssimo, que a gravidade vira algo fora de escala. O perigo não é a sucção; é a proximidade. O desdobramento disso está em Um buraco negro pode engolir a Terra?.

Os quatro tipos, do pequeno ao absurdo

A NASA separa os buracos negros por massa, e cada faixa tem uma história de origem diferente.

Estelares. Têm de algumas a algumas centenas de vezes a massa do Sol. Nascem quando uma estrela de 20 massas solares ou mais fica sem combustível e o miolo dela desaba. Estrelas um pouco menores que esse limite viram estrela de nêutrons, e a diferença entre os dois destinos está em O que sobra quando uma estrela morre?. O menor já identificado tem 3,8 massas solares. Na Via Láctea há cerca de 50 confirmados ou suspeitos — mas a estimativa da NASA é que existam até 100 milhões deles por aqui, quase todos invisíveis porque não têm nada por perto para engolir.

Supermassivos. De centenas de milhares a bilhões de massas solares. Ficam no centro das galáxias, e a maioria das galáxias do tamanho da nossa tem um. O da Via Láctea é Sagitário A*, com 4 milhões de massas solares. O mais pesado já observado é o do quasar TON 618, com 66 bilhões de vezes a massa do Sol. Como eles ficaram tão grandes ainda é debate aberto: alguns já existiam no primeiro bilhão de anos depois do Big Bang, cedo demais para terem crescido comendo aos poucos.

Intermediários. A faixa do meio, de umas 100 até centenas de milhares de massas solares. São os mais difíceis de achar, a ponto de serem apelidados de "elo perdido". Devem se formar quando buracos negros estelares colidem e se somam ao longo de bilhões de anos. O melhor candidato conhecido, com cerca de 50 mil massas solares, atende pelo nome pouco romântico de 3XMM J215022.4−055108.

Primordiais. Esses são teoria pura, sem nenhuma confirmação. A ideia é que, no primeiro segundo de vida do universo, bolsões de matéria quente teriam sido densos o bastante para desabar sozinhos, sem precisar de estrela nenhuma. Se existirem, teriam massas que vão de muito menos que um clipe de papel a muito mais que o Sol.

Como se enxerga o que não dá para ver

Essa é a pergunta boa. E a resposta é que ninguém vê o buraco negro: vê-se o estrago que ele faz na vizinhança. São quatro métodos principais, todos já usados.

1. A comida brilhando. Gás e poeira que caem em direção ao buraco negro não entram direto: formam um disco de acreção, um redemoinho achatado que gira em volta. O atrito nesse redemoinho esquenta o gás a ponto de ele emitir luz em várias faixas, inclusive raios X. É o mesmo princípio da água rodando antes de entrar no ralo — só que esquentando até brilhar. Telescópios de raios X como o Telescópio Chandra: o que ele enxerga que ninguém mais vê existem em boa parte por causa disso.

2. As estrelas dançando em volta de nada. Astrônomos acompanharam por anos o movimento de estrelas no centro da Via Láctea e viram todas girando em torno de um ponto onde não havia nada visível. Pela velocidade delas, dá para calcular a massa do que está no meio: 4 milhões de sóis num espaço pequeno. Esse trabalho rendeu o Prêmio Nobel de Física de 2020.

3. O tranco no espaço. Quando dois buracos negros se chocam e viram um só, a batida sacode o próprio tecido do espaço e manda ondas gravitacionais para todo lado — e existem detectores na Terra capazes de sentir essa trepidação. A explicação está em O que são ondas gravitacionais?.

4. A lente de aumento. A gravidade entorta a trajetória da luz que passa de raspão. Um buraco negro solitário, sem nada para comer, denuncia a própria posição ao deformar a imagem das estrelas que estão atrás dele — a NASA compara o efeito ao de um espelho de parque de diversões. Ele está detalhado em O que é uma lente gravitacional? A lupa do universo.

Os recordes conhecidos

Alguns números da NASA que ajudam a dimensionar a coisa:

Vale a pena parar no último. Todos os buracos negros giram, e esse gira mais de mil vezes por segundo. Um objeto com a massa de várias estrelas rodando mais rápido que o motor de um carro em alta rotação não é uma imagem fácil de montar na cabeça — e é real.

E os 1.500 anos-luz do Gaia BH1 merecem contexto, porque esse "mais próximo" assusta sem motivo. A estrela mais próxima de nós depois do Sol está a 4,2 anos-luz. O vizinho mais próximo entre os buracos negros está 350 vezes mais longe que isso. A escala está em O que é um ano-luz? A medida do universo com exemplos simples.