Buracos negros e gravitação Karenn Liège

Transcrição

1 Buracos negros e gravitação Buracos negros e gravitação Karenn Liège

2 Objetivos Enfatizar a importância da Teoria Gravitacional nas descobertas cosmológicas principalmente as relacionadas aos Buracos Negros. De todas as forças da natureza (existem apenas quatro forças) a gravitacional é a menos entendida, apesar de ter sido a primeira a ser pesquisada e estudada matematicamente. Afrânio Rodrigues Pereira

3 Geometria euclidiana Geometria euclidiana! O 5º Postulado Dado, em um plano, uma linha L e um ponto P fora de L, então existe somente uma única linha reta que passa por P paralela la a L

4 Geometria não-euclidiana! Obtivemos a negação do quinto postulado, tomando um espaço curvo e deixando nossas linhas retas serem as chamadas geodésicas da superfície.! Duas linhas retas, inicialmente paralelas, se cruzarão sobre uma superfície curva tal como a superfície de uma esfera. Aqui temos a geometria de Riemann.

5 De Isaac Newton a Einstein De Isaac Newton a Einstein Foi o Físico inglês Isaac Newton no século XVII, o primeiro a desvendar alguns dos segredos desta interação que ocorre com objetos tão espetaculares como galáxias, estrelas, planetas, cometas, pessoas, maçãs, pedras, átomos, elétrons etc. A força gravitacional é a única que se manifesta com todas as coisas existentes no Universo e, portanto é uma força universal. Matéria atrai matéria na razão direta do produto de suas massas gravitacionais e na razão inversa do quadrado da distância que as separa.

6 De Isaac Newton a Einstein Newton postula que Newton postula que A primeira conseqüência deste postulado é que a unidade de medida de massa gravitacional é a mesma de massa inercial, como, por exemplo, o quilograma. A segunda conseqüência é que a trajetória de um objeto deixado livre em uma região do espaço contendo gravidade não depende de sua massa e, portanto todos os corpos largados nas mesmas condições iniciais descreverão a mesma trajetória no espaço.

7 Previsões a partir da Teoria de Newton O matemático Francês Le Verrier previu a existência do planeta Mercúrio sem olhar nenhum telescópio. Usando a teoria Newtoniana da gravitação e de posse de dados observacionais a respeito do movimento de Urano, ele pode calcular a localização do novo planeta. Usando os resultados s de Le Verrier,, o astrônomo Galle pôde encontrar Netuno a menos de um grau do local anunciado nos cálculos. O planeta Plutão também foi encontrado dessa forma anos mais tarde.

8 De Isaac Newton a Einstein Para Einstein, a menor distância entre dois pontos no espaço em nossa volta não é uma linha reta, mas uma curva e assim, o planeta livre de forças segue uma trajetória curva porque o espaço é curvo (esta teoria é conhecida como Relatividade Geral ou Geometrodinâmica). Na realidade, todos os corpos que estão em campos gravitacionais estão no estado de inércia (isto é, livre de forças). No entanto, eles não descrevem trajetórias retilíneas porque o espaço à sua volta é curvo.

9 Se o que define a trajetória é o espaço, porque a trajetória se modifica quando modificamos a velocidade inicial? Quando atiramos objetos aqui na Terra com diferentes velocidades iniciais, eles descrevem diferentes curvaturas no espaço. Então como pode ser o espaço que está ditando aos objetos suas trajetórias, se cada um segue caminhos diferentes? A curvatura é do espaço-tempo, não apenas do espaço. Com esta idéia, Einstein publicou um artigo em 1911, chamado Sobre a Influência da Gravidade na Propagação da Luz, mostrando que um raio de luz deve se encurvar ao passar perto de um corpo de enorme massa tal como uma estrela.

10 A possibilidade de existência de um corpo celeste com uma massa tão grande que nem mesmo a luz pudesse escapar de sua superfície foi descrita pela primeira vez pelo clérigo e geólogo inglês John Michell, no ano de 1783, em um artigo enviado para a Royal Society de Londres. Seu trabalho baseava-se apenas na física Newtoniana.

11 O que é um buraco Negro? Quando a estrela morre, as reações de fusão nuclear são interrompidas, pois o combustível para essas reações é consumido. Ao mesmo tempo, a gravidade da estrela atrai a matéria para o interior e comprime o núcleo. À medida que o núcleo é comprimido, este se aquece e cria uma explosão, arremessando para o espaço a matéria e a radiação. O que fica é o núcleo altamente comprimido e extremamente maciço. Esse objeto literalmente desaparece da visão. Como a gravidade do núcleo é muito intensa, ele se afunda na estrutura do espaço-tempo, criando nele um buraco. Esse objeto é chamado de buraco negro. Imagem cedida pela Nasa Concepção artística de um buraco negro: as setas mostram o trajeto dos objetos para dentro e ao redor da abertura do buraco negro

12 O conceito de velocidade de escape A velocidade de escape é a velocidade que um corpo material precisa para escapar da ação do campo gravitacional de um objeto. Dado um corpo de massa M e raio R, a velocidade de escape V que um objeto material precisa atingir para conseguir escapar do campo gravitacional desse corpo é dada por: Objeto do Sistema Solar velocidade de escape (km/seg) Sol 617,50 Mercúrio 4,25 Vênus 10,36 Terra 11,186 Lua 2,40 Marte 5,02 Júpiter 59,56 Saturno 35,49 Urano 21,30 Netuno 23,50 Plutão 1,10

13 Particularidades.! O núcleo se transforma na parte central do buraco negro, chamada de singularidade gravitacional. A abertura do buraco é chamada de horizonte de eventos.! O raio do horizonte de eventos é chamado de Raio de Schwarzschild,, assim chamado em homenagem ao astrônomo Karl Schwarzschild Schwarzschild, cujo trabalho levou à, cujo trabalho levou à teoria dos buracos negros. teoria dos buracos negros.

14 O que acontece quando o "raio de Schwarzschild" é alcançado? A curvatura do espaço-tempo é tão grande que nem mesmo a luz consegue escapar da superfície do objeto que está colapsando. Se a luz não escapa do objeto um observador situado distante desse "raio" não conseguirá mais enxergar o objeto. Ele se transformou em um buraco negro. Este corpo celeste está agora envolto por um contorno, uma "membrana" do espaço-tempo que impede que tenhamos qualquer informação sobre o que está ocorrendo no interior dela.

15 Tipos de buracos negros Schwarzschild - buraco negro sem rotação O buraco negro de Schwarzschild é o mais simples, seu núcleo não gira. Esse tipo de buraco negro tem apenas uma singularidade e um horizonte de eventos.

16 Tipos de buracos negros Kerr - buraco negro com rotação O buraco negro de Kerr, provavelmente a forma mais comum na natureza, gira porque a estrela do qual foi formado estava girando. Quando a estrela em rotação entra em colapso, a rotação do núcleo é transferida ao buraco negro (conservação do momento angular). O buraco negro de Kerr é composto das seguintes partes:! singularidade - o núcleo colapsado;! horizonte de eventos - a abertura do buraco;! ergosfera - uma região de espaço distorcido de forma oval ao redor do horizonte de eventos. A distorção é causada pelo movimento rotatório do buraco negro que "arrasta" o espaço em torno dele;! limite estático - a fronteira entre a ergosfera e o espaço normal.

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18 Como Identificar um buraco negro Como Identificar um buraco negro! Embora não possamos ver um buraco negro, ele tem três propriedades que podem ou poderiam ser medidas:! massa! carga elétrica! taxa de rotação (momento angular) A análise da radiação de raios-x detectada nesta descoberta deixa poucas dúvidas de que a fonte da radiação em questão se trata de um buraco negro.

19 Juntando todos os "retratos" Juntando todos os "retratos" Como sempre fazem, a partir das várias detecções feitas nos mais diferentes intervalos Como de sempre radiação fazem, do espectro a partir eletromagnético, das várias detecções os astrônomos feitas nos mais construíram diferentes um intervalos de mosaico radiação da radiação do espectro total emitida eletromagnético, pela galáxia os M81. astrônomos Para isso construiram juntaram todas um mosaico as da radiação imagens total obtidas emitida nos pela vários galáxia comprimentos M81. Para isso de onda. juntaram Eis o todas resultado. as imagens obtidas nos vários comprimentos de onda. Eis o resultado.

20 Buracos Negros de grande massa contém a massa de milhões ou de milhares de milhões de sóis são encontrados no centro da maioria das galáxias inclusive a Via- Láctea. Sua "alimentação" é tirada do próprio gás existente nessas regiões centrais, além das estrelas que ele destrói ao sugar todo o seu gás para o interior do seu horizonte de eventos. Buracos de "massa estelar contêm a massa de cerca de 10 sóis e são criados pelo colapso do núcleo de estrelas de grande massa, em geral pertencem a sistemas estelares binários, aumentam sua massa graças ao puxão que seu campo gravitacional dá no gás que pertence à estrela vizinha.

21 Descobertas mais recentes Descobertas mais recentes! Um buraco negro, menor do que o Sistema Solar pode controlar o destino de um aglomerado inteiro de galáxias.! A Luz leva 1 segundo para chegar à Terra vinda da Lua, 25 mil anos do Centro da Galáxia `a Terra e 2 milhões de anos para atravessar um aglomerado

22 A mais poderosa erupção já vista está em andamento há 100 milhões s de anos no aglomerado de MS0735. As bolhas são 250 vezes mais potentes do d o que no aglomerado de Perseu.

23 Estes aglomerados consistem em cerca de mil galáxias que se deslocam em torno de uma bola de gás quente. No Núcleo há uma galáxia particularmente grande onde ocorrem os processos mais violentos do Universo. Que um objeto de diâmetro tão pequeno afete um aglomerado inteiro o é como uma uva influir no formato da Terra.

24 Se os fluxos persistissem por 1 bilhão de anos, o gás depositado na região central formaria trilhões de novas estrelas.

25 Uma suspeita era que as bolhas de gás provocassem ondas de choque, de modo semelhante às explosões da atmosfera.

26 Bolhas de gás gigantes! Os astrônomos descobriram bolhas de gás gigantes, com centenas de milhares de anos-luz de largura.! Energia semelhante a 100 milhões de supernovas explodindo ao mesmo tempo.

27 Aglomerado de Perseu : Visto em Luz visível (esquerda), Raio-x (centro) e com aumento de contraste (direita).

28 Si bemol, 57 oitavas abaixo do dó central

29 Os jatos emergindo da galáxia M87 no aglomerado de Virgem são apenas 0,01% de potência dos de MS0735

30 Os buracos negros supermassivos são de longe, o maior suprimento de energia potencial gravitacional de uma galáxia. Ao utilizar essa energia pela acreção,, lançando poderosos megajatos,, o rebote dos buracos negros é um dos mais importantes processos que ocorrem no Universo. Wallace Tucker

31 Bibliografia 1. Geometria Euclidiana Plana - João Lucas Marques Barbosa (Coleção Fundamentos da Matemática Elementar) - Sociedade Brasileira de Matemática, Rio de Janeiro, Física Básica, Mecânica 1 - Pierre Lucie -Editora Campus Ltda, Rio de Janeiro, Gravitação: de Newton a Einstein - Afranio Rodrigues Pereira - Departamento de Física, Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, MG O Sopro do Buraco Negro - Wallace Tucker, Havey Tananbaum e Andrew Fabian - Scientific American Brasil, Brasil 2007.