De forma muito simplista, um buraco negro é uma região do espaço que contém tanta massa concentrada que nenhum objeto consegue escapar de sua atração gravitacional. Como a melhor teoria gravitacional no momento ainda é a Teoria da Relatividade Geral de Einstein, somos obrigados a mergulhar em alguns dos resultados preditos por essa teoria para entender os detalhes de um buraco negro, mas vamos começar devagar, pensando sobre a gravidade em circunstâncias relativamente simples.
Suponha que você está na superfície de um planeta. Você atira uma pedra direto para cima. Supondo que você não atire a pedra muito forte, ela subirá por algum tempo, mas eventualmente a aceleração devida à gravidade do planeta vai fazê-la descer de novo. Se você atirar a pedra com força suficiente, no entanto, você poderia fazê-la escapar inteiramente da gravidade do planeta. A pedra continuaria a subir para sempre. A velocidade com que é necessário atirar a pedra para que ela escape da atração gravitacional do planeta é chamada de "velocidade de escape". Como seria de esperar, a velocidade de escape depende da massa do planeta: se o planeta for extremamente massivo, sua gravidade é muito intensa, e a velocidade de escape muito elevada. Um planeta mais "leve" teria uma velocidade de escape inferior. A velocidade de escape também depende da distância a que você se encontra do centro do planeta: quanto mais perto você estiver, maior a velocidade de escape. A velocidade de escape da Terra é de 11,2 km/s (cerca de 40 000 km/h), enquanto que a velocidade de escape da Lua é de apenas 2,4 km/s (cerca de 8 600 km/h).
Imagine agora um objeto com tamanha massa, concentrada num raio de tal forma pequeno, que sua velocidade de escape seja maior que a velocidade da luz. Neste caso, uma vez que nada pode se deslocar mais rapidamente que a luz, nada poderá escapar do campo gravitacional desse objeto. Mesmo um raio de luz seria puxado de volta pela gravidade e não teria como escapar.
A ideia de uma concentração de massa tão densa que até mesmo a luz ficasse aprisionada vai bem ao passado, até Laplace, no século 18. Quase imediatamente em seguida de Einstein ter desenvolvido a relatividade geral, Karl Schwarzschild descobriu uma solução matemática para as equações daquela teoria que descreviam um tal objeto. Foi somente muito mais tarde, com o trabalho de cientistas como Oppenheimer (o mesmo do Projeto Manhattan, da bomba atômica americana), Volkoff e Snyder, na década de 30, que se começou a pensar seriamente na possibilidade de que tais objetos pudessem realmente existir no Universo. Esses pesquisadores mostraram que, quando uma estrela suficientemente massiva consome todo seu combustível, ela perde a capacidade de sustentar o encolhimento devido à sua própria atração gravitacional, e então desaba sobre si própria na forma de um buraco negro.
Na relatividade geral, a gravidade é uma manifestação da curvatura do espaço-tempo. Objetos massivos distorcem as dimensões de espaço e tempo de tal forma que as regras normais da geometria não se aplicam mais. Perto de um buraco negro essa distorção do espaço é extremamente intensa, provocando o aparecimento de certas propriedades muito estranhas. Em particular, um buraco negro tem algo que se chama "horizonte de eventos", que é uma superfície esférica que marca as fronteiras do buraco negro. Você pode passar através do horizonte de eventos no sentido de entrada, mas depois não pode sair mais. Na verdade, uma vez cruzado o horizonte de eventos, você está inexoravelmente fadado a se aproximar cada vez mais da "singularidade" localizada no centro do buraco negro.
Você pode pensar no horizonte de eventos como um lugar em que a velocidade de escape é igual à velocidade da luz. Fora do horizonte de eventos, a velocidade de escape é menor do que a da luz, de modo que se você acionar seus foguetes com força suficiente poderá obter a energia necessária para escapar do buraco negro. Mas se você se encontrar para dentro do horizonte de eventos, não importa quão potentes sejam seus foguetes, pois você não poderá escapar.
O horizonte tem algumas propriedades geométricas realmente estranhas. Para um observador que esteja imóvel a alguma distância do buraco negro, o horizonte parece ser uma superfície esférica tranquila e estática. Mas à medida que você se aproximar do horizonte, perceberá que ele está se movendo a uma velocidade espantosa. Na verdade, está se expandindo à velocidade da luz! Isto explica porque é tão fácil atravessar o horizonte na direção para dentro, mas impossível retornar. Como o horizonte está se movendo à velocidade da luz, para poder escapar de volta através dele você teria que viajar a uma velocidade superior à da luz. Como você não poder viajar mais rápido do que a luz, você não pode escapar do buraco negro.
Se toda esta história estiver soando muito estranha, não se preocupe. Ela é estranha. O horizonte é estático, num certo sentido, mas noutro sentido está se deslocando à velocidade da luz. É um pouco como aquela história de Alice no País das Maravilhas: ela tinha que correr tão rápido quanto possível, apenas para permanecer no mesmo lugar.
Uma vez dentro do horizonte, o espaço-tempo é tão distorcido que as coordenadas que descrevem distância radial e tempo trocam suas posições. Ou seja, a coordenada que descreve a sua distância do centro, "r", passa a ser uma coordenada do tipo tempo, e a coordenada "t" passa a ser do tipo espacial. Uma consequência disto é que você não consegue mais evitar seu deslocamento no sentido de valores cada vez menores de r, da mesma forma como normalmente você não consegue evitar o deslocamento da coordenada de tempo na direção do futuro (ou seja, no sentido de valores maiores de t). Eventualmente você vai atingir a singularidade, localizada em r=0. Você pode tentar evitá-la acionando seus foguetes, mas é inútil: não importa qual a direção em que você tente fugir, não conseguirá evitar seu futuro. Tentar evitar o centro de um buraco negro depois de ter atravessado seu horizonte é como tentar evitar a próxima segunda-feira.
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