Antes da descoberta dos buracos negros, um físico que está muito famoso no momento conduziu pesquisas sobre esses objetos exóticos do universo, estou falando dele, J. Robert Oppenheimer.
Isso quer dizer que antes de ficar conhecido como o pai da bomba atômica, Oppenhimer fez grandes contribuições para a ciência dos buracos negros e porque não pode ser chamado também de o pai dos buracos negros, será?
O nome de Oppenheimer será sempre, por um bom ou mal motivo associado com o incrível poder destrutivo da bomba atômica, e a imagem da nuvem em forma de cogumelo, um símbolo quase biblíco de destruição. Essa associação ainda será reforçada quando todos assistirem ao atual filme de Christopher Nolan que conta a vida do grande físico Oppenheimer.
Mas antes de partir para Los Alamos no Novo México em 1942, para contribuir com o desenvolvimento da bomba atômica, Oppenheimer era um físico teórico cujo trabalho principal era voltado para a física quântica.
Em 1939, ele e seu colega da Universidade da Califórnia em Berkeley, Hartland S. Snyder, publicaram um artigo científico ppioneiro conheicdo como On Continued Gravitational Contraction, onde eles usavam as equações de Albert Einstein da teoria da gravidade, a chamada Relatividade Geral para mostrar como os buracos negros poderiam ser formados.
Oppenheimer propôs o primeiro modelo de colapso para descrever o que acontece com uma estrela que poderia colapsar em um buraco negro. Esse modelo do Oppenheimer explica a formação de buracos negros como um processo astrofísico dinâmico, que representa o estado final da evolução de estrelas bem mais pesadas que o Sol. Esse modelo está sendo usado até hoje.
“Este modelo é muito significativo porque pode ser resolvido analiticamente – resolver as equações pode ser feito com caneta e papel e não requer trabalho numérico. Toda a física é, portanto, facilmente rastreável”, disse ele. “No entanto, apesar de sua simplicidade e talvez até grosseria, é complexo o suficiente para descrever muitas das características de uma estrela em colapso.”
Ironicamente, enquanto Oppenheimer e Snyder trabalhavam no artigo, que dependia tanto da teoria da relatividade geral de 1915, o pai dessa teoria, Einsten, estava concluindo pesquisas destinadas a mostrar que os buracos negros não poderiam existir.
A história mostraria que Oppenheimer estava certo sobre os buracos negros, é claro.
Oito anos antes da teoria de Oppenheimer sobre o colapso das estrelas e o nascimento do buraco negro, outro físico teórico estava pensando sobre o que acontece quando as estrelas ficam sem combustível para a fusão nuclear.
Quando esse combustível se esgota, uma estrela não pode mais se sustentar contra o colapso gravitacional. Enquanto as camadas externas da estrela são eliminadas, seu núcleo se contrai rapidamente, deixando um remanescente estelar exótico. A natureza do remanescente depende da massa do núcleo estelar.
O físico indiano-americano Subrahmanyan Chandrasekhar percebeu que, para núcleos estelares com uma massa menor que 1,4 vezes a do sol, o colapso gravitacional seria interrompido devido a efeitos quânticos que impedem que as partículas se “comprimam” muito próximas umas das outras.
Isso viria a ser conhecido como o limite de Chandrasekhar, e qualquer estrela abaixo dele – a menos que tenha uma companheira estelar alimentando-a com material – está condenada a terminar sua existência como um remanescente estelar fumegante chamado anã branca. Esse será o destino de nossa estrela, o sol, depois de esgotar o hidrogênio em seu núcleo em cerca de 5 bilhões de anos.
Para núcleos estelares pelo menos 1,4 vezes mais massivos que o Sol, há pressão suficiente e, portanto, calor gerado durante o colapso gravitacional para que novos surtos de fusão nuclear possam ser desencadeados, com o hélio criado pela fusão do próprio hidrogênio forjando elementos mais pesados como nitrogênio, oxigênio e carbono.
As estrelas mais massivas passam por uma série desses colapsos e surtos de fusão nuclear. Mas Oppenheimer e seus alunos queriam saber aonde leva esse caminho de colapso gravitacional e, portanto, qual é o estado final das maiores estrelas do universo.
Essa resposta já havia sido dada por um físico alemão em 1916. Oppenheimer só precisava descobrir como chegar lá.
Em 1915, enquanto servia no front com o exército alemão durante a Primeira Guerra Mundial, o astrônomo Karl Schwarzschild pôs as mãos em uma cópia da teoria da relatividade geral de Einstein. Surpreendentemente, e para choque de Einstein, sob essas condições incrivelmente duras, Schwarzschild conseguiu calcular uma solução matemática exata para as equações de campo da relatividade geral.
Nessas soluções espreitam duas coisas perturbadoras – lugares conhecidos como “singularidades” onde a física como a conhecemos se decompõe completamente. Essas singularidades indicavam a existência de objetos com gravidade tão intensa que podiam “engolir” a luz.
Uma das singularidades foi considerada uma singularidade coordenada, que poderia ser removida com uma pequena manipulação matemática inteligente. Essa singularidade coordenada viria a ser conhecida como raio de Schwarzschild – o ponto no qual a gravidade de um corpo se torna tão grande que a velocidade necessária para escapar de suas garras é maior que a velocidade da luz.
Essa superfície de captura de luz unidirecional é chamada de “horizonte de eventos” e representa o limite externo do buraco negro.
A outra singularidade, a verdadeira ou gravitacional singularidade, não poderia ser tratada matematicamente. Nada poderia removê-lo, então foi, e ainda é, o ponto em que a física se decompõe completamente – o coração do buraco negro.
Esse foi o nascimento teórico do conceito de buraco negro, mas não disse nada sobre a criação desses titãs cósmicos – apenas que eles podem existir.
Enquanto Einstein trabalhava em 1939 para destruir essa singularidade gravitacional e, portanto, o conceito de buraco negro, Oppenheimer investigava como tais objetos poderiam vir a existir.
Trabalhando com suposições simples que negligenciam os efeitos quânticos e não consideram a rotação, Oppenheimer colocou Snyder para trabalhar. E isso valeu a pena quando o último pesquisador descobriu que o que parece acontecer com uma estrela em colapso depende do ponto de vista do observador.
Snyder teorizou que, a alguma distância da estrela em colapso, a luz de uma fonte próxima ao horizonte de eventos teria seu comprimento de onda esticado pela gravidade, um processo chamado redshift, tornando-se cada vez mais vermelho.
Ao mesmo tempo, a frequência dessa luz está sendo reduzida do ponto de vista do observador. Essa redução de frequência continua até que, para o observador distante, a luz esteja efetivamente “congelada”.
Oppenheimer e colaboradores perceberam que a história é bem diferente para um observador infeliz o suficiente para cair com a superfície da estrela em colapso. Um observador nesta posição cairia além do horizonte de eventos sem aviso prévio.
É claro que, na realidade, um observador seria “espaguetizado” por intensas forças de maré causadas pela diferença na atração gravitacional na parte superior e inferior do corpo. Isso os mataria antes de atingirem o horizonte de eventos, pelo menos para buracos negros menores, nos quais o raio de Schwarzschild está próximo da singularidade gravitacional.
Este conceito foi inicialmente referido como uma “estrela congelada” devido ao aparente congelamento da luz no horizonte de eventos. Não receberia seu nome mais familiar e rápido até 1967, quando o físico da Universidade de Princeton, John Wheeler, cunhou o termo “buraco negro” durante uma palestra.
Oppenheimer e seus colegas podem ter seguido um caminho diferente de Schwarzschild, mas ainda assim as duas equipes de físicos chegaram ao mesmo destino: o conceito de um corpo estelar tão massivo que sua gravidade aprisiona a luz e causa um desvio para o vermelho infinito. Schwarzschild tinha a teoria, mas Oppenheimer e seus colegas foram os primeiros cientistas que realmente entenderam o nascimento físico de um buraco negro.
Três anos depois, Oppenheimer viajaria para Los Alamos, consolidando seu lugar na história e na percepção do público. Mas muitos, especialmente os cientistas, lembram-se dele como o pai dos buracos negros.
“Oppenheimer fez contribuições muito significativas para a física dos buracos negros e para a física como um todo”, concluiu Calmet. “Embora o público em geral associe seu nome à bomba e ao Projeto Manhattan, suas contribuições à física e à astrofísica são muito apreciadas pela comunidade científica.
“Ele foi um dos principais físicos durante sua vida e foi extremamente influente, e seu trabalho seminal ainda é relevante até hoje.”
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