Pode o LHC destruir o planeta?

Buracos negros

Strangelets

Prof. Luiz Fernando Mackedanz

O que é um buraco negro?

• Segundo a relatividade, a gravidade não é mais do que a manifestação do encurvamento do espaço-tempo provocado pelos corpos do Universo. Um buraco negro é portanto um objeto que encurva de tal modo o espaço-tempo que forma um poço sem fundo de onde nem a luz pode escapar.

• Visto que nada viaja mais rápido que a luz, nada pode escapar a um buraco negro.

Os buracos negros através da história.

• Em 1783, John Mitchel, publicou um ensaio afirmando que uma estrela igual à do sol com um raio 500 vezes superior, teria tanta gravidade que não deixaria a luz sair do interior.

Os buracos negros através da história.

• Laplace demonstrou, em 1799, na sua obra Exposition du système du monde que a velocidade de escape numa estrela com raio 250 vezes maior do que o do Sol e densidade igual era igual à velocidade da luz.

Os buracos negros através da história.

• Einstein, na sua relatividade geral, estipula que a luz segue a curvatura do espaço-tempo em redor dos corpos pesados. Uma estrela colapsada com varias vezes a massa solar, criaria um “buraco” gravitacional de onde a luz não pode escapar.

Os buracos negros através da história.

• A possibilidade deste colapso foi apontada por Robert Oppenheimer em 1939. No entanto, este julgava que a propriedade era apenas uma subtileza nas equações da relatividade e abandonou a ideia. Os buracos negros caíram no esquecimento até à década de 60.

Os buracos negros através da história.

• Em 1969, o teórico John Wheeler introduziu o termo buraco negro.

• Roger Penrose e Stephen Hawking mostraram que um buraco negro contem uma singularidade – um ponto infinitamente pequeno e de densidade infinita onde as leis da física deixam de ter efeito.

Como se forma um Buraco Negro?

• Uma estrela com cerca de 10 vezes a massa solar desenvolve-se durante cerca de 1 bilhão de anos transformando hidrogênio em hélio através de reações nucleares que ocorrem no núcleo.

• Quando o combustível de hidrogênio se acaba, a estrela começa a colapsar sobre si mesma por não haver nada que sustenha a pressão da gravidade.

• À medida que a estrela encolhe, a gravidade aumenta.• Quando o raio da estrela for de 30 km a sua velocidade de

escape torna-se superior à da luz e forma-se um buraco negro.

Constituição de um Buraco Negro.

• Um Buraco Negro é constituído pelo:

-Próprio buraco negro – singularidade nua.

-Horizonte de evento.

-Disco de acreção.

-Jatos de gás.

Constituição de um Buraco Negro.

• Buraco negro- na verdade não se vê pois as particularidades do objeto em si não o permitem.

• Horizonte de evento- é a fronteira do Buraco Negro. Tem este nome porque qualquer evento que se passe para lá dele não pode ser captado por um observador exterior. Consiste numa onda de luz que não cai no buraco mas também não consegue escapar, continuando a mover-se ao longo do raio de Schwarzschild.

Constituição de um Buraco Negro.

• Disco de acreção- Consiste na matéria que está a ser absorvida pelo buraco negro. Esta é atraída pela força da gravidade e forma um disco enquanto redemoinha para o buraco negro (um pouco como a água num ralo da pia).

Constituição de um Buraco Negro.

• Jatos de gás- Algumas vezes podem ser encontrados sendo lançados para fora de um buraco negro a alta velocidade. São sempre perpendiculares ao disco de acreção

Tipos de Buraco Negro

• Buracos Negros Estelares (tipo 10 massas solares).

• Buracos Negros Supermassivos

• “Mini” Buracos Negros

Tipos de Buraco Negro

• Buracos Negros Estelares - formam-se da maneira atrás descrita. Existem agora evidências observacionais suficientemente boas para comprovar a existência deste tipo de buracos em sistemas binários.

Tipos de Buraco Negro

• Buracos negros supermassivos - Estes são buracos negros de massa muito superior aos anteriores e podem chegar a atingir massas milhares de vezes superiores à do sol. Existem três teorias que explicam o aparecimento dos buracos negros:

Buracos Negros Supermassivos

1- Antes das galáxias se formarem já havia buracos negros que atraíram a matéria. Esta colapsou, e provocou o crescimento do buraco negro enquanto o gás em torno dele formava as estrelas e galáxias. A massa do buraco é proporcional à da galáxia.

2- Um buraco negro supermassivo forma-se a partir da colisão de duas galáxias que já continham buracos de menores dimensões.

3- O buraco negro da galáxia cresce com o bojo da galáxia. A matéria que faz crescer o buraco e o bojo pode vir da parte externa dos braços da galáxia. Isto pode acontecer através de uma barra que transfere a matéria para o buraco.

Tipos de Buraco Negro

• Mini buracos negros- São buracos negros primordiais. São de maior interesse para a física quântica. Um destes buracos negros com 1 bilhão de toneladas teria um raio de 10-13 centímetros ( o tamanho de um proton). Tanto pode estar a orbitar o sol como estar no centro da galáxia.

BURACOS NEGROS NO LHC

Exemplo de evento

Premissas

• Nas energias de 14 TeV, acessíveis em colisões próton-próton, pode ser criado um estado de densidade de energia extrema, capaz de criar um mini buraco negro

• Seria este buraco negro estável e capaz de destruir a Terra?

Evaporação de um buraco negro

• Proposta por Stephen Hawking, em 1975

• Criação de pares partícula-antipartícula na borda do buraco negro

• Energia e tempo de vida obedecem o princípio da incerteza

ΔEΔt ≈h/2π

Criação de par

Outras quantidades importantes

• Velocidade máxima que uma partícula pode alcançar é a da luz: c

• A energia criada num destes processos obedece a relação de Einstein

ΔE=mc2

Isto quer dizer que a partícula criada pode viajar uma distância igual a ΔL=h/4πmc

Raio de Scharzschild

• Caracteriza a extensão do horizonte de eventos do buraco negro

• Encontrado com a igualdade entre a velocidade de escape e a velocidade da luz

• Por exemplo, seu valor para o Sol é de 3 km e para a Terra, 9 mm.

• Velocidade de escape – necessária para vencer o campo gravitacional do corpo celeste.

Como a evaporação ocorre?

• Par partícula-antipartícula é criada na borda do horizonte de eventos.

• A antipartícula é absorvida pelo buraco negro.

• Partícula é emitida e escapa do buraco negro.

• Energia do buraco negro diminui.

Tempo de vida

• Segundo os cálculos da energia emitida, o tempo de vida de um buraco negro produzido no LHC, com energia de 14 TeV, é

t1/2=1,3x10-84s

Tempo demasiado curto para a acreção começar a aumentar o buraco negro.

STRANGELETS

Possíveis propriedades

• Forte interação com a matéria comum, transformado-a em matéria estranha

• Mecanismo se auto-alimenta, transformando toda a matéria através da força eletrofraca

• Perigo maior do que um buraco negro

Existe perigo mesmo?

• Buracos negros e strangelets podem ser produzidos no LHC, porém seriam instáveis e decairiam muito antes de poder tornarem-se perigosos para o planeta.

• Eventos com a energia similar ao LHC já existem desde a formação da Terra, nos raios cósmicos, porém não se detectou a criação de algo semelhante na história da humanidade.

Bibliografia

• Sites: http://www.terravista.pt/meco/1351/Bnegros.html

http://www.spaceref.com/tools/imagecathp.html?cid=1• Livros:

-Hawking, Stephen; Black Holes And Baby Universes And Other Essays; Bantam Books;1994.

-Mendonça, Lucinda et al; Jogo de Partículas 10ºano; Texto Editora.