O comportamento surpreendente dos buracos negros em um universo em expansão

Um físico que investiga buracos negros descobriu que, num universo em expansão, as equações de Einstein exigem que a taxa de expansão do universo no horizonte de eventos de cada buraco negro seja uma constante, a mesma para todos os buracos negros.  Por sua vez, isto significa que a única energia no horizonte de eventos é a energia escura, a chamada constante cosmológica. O estudo é publicado no servidor de pré-impressão arXiv. 

Crédito: imagem gerada por IA 

“Caso contrário”, disse Nikodem Pop”awski, professor ilustre da Universidade de New Haven, “a pressão da matéria e a curvatura do espaço-tempo teriam de ser infinitas num horizonte, mas isso não é físico.” Os buracos negros são um tema fascinante porque tratam das coisas mais simples do universo: suas únicas propriedades são massa, carga elétrica e momento angular (spin). No entanto, a sua simplicidade dá origem a uma propriedade fantástica: têm um horizonte de eventos a uma distância crítica do buraco negro, uma superfície não física à sua volta, esférica nos casos mais simples. 

Qualquer coisa mais próxima do buraco negro, ou seja, dentro do horizonte de eventos, nunca poderá escapar do buraco negro.  Os buracos negros foram previstos em 1916 por Karl Schwarzschild enquanto servia como soldado alemão na frente russa, enquanto sofria da dolorosa doença de pele autoimune pênfigo.

Usando as equações da relatividade geral de Einstein, ele presumiu um objeto massivo, não giratório e perfeitamente redondo em um universo vazio e imutável e descobriu o horizonte de eventos.

O raio do horizonte de eventos é proporcional à massa de um buraco negro.

Dentro do horizonte, nem mesmo a luz, o objeto mais rápido do universo, consegue escapar do buraco. Schwarzschild também encontrou uma aparente singularidade no centro do buraco negro, um local de densidade infinita onde as leis da gravidade de Einstein aparentemente falham.

Desde então, os astrônomos descobriram que a maioria das galáxias parece ter um buraco negro supermassivo no seu centro; para a Via Láctea é Sagitário A*, com uma massa mais de quatro milhões de vezes a do Sol.

Um buraco negro foi fotografado diretamente apenas em 2019, uma mancha negra com um halo de luz ao seu redor, localizada no centro da galáxia Messier 87, a 55 milhões de anos-luz da Terra.

Indo além de Schwarzschild, Pop”awski assumiu um objeto massivo e centralmente simétrico em um universo em expansão. Neste caso, a solução das equações de Einstein para a estrutura do espaço-tempo em torno da massa foi obtida pela primeira vez em 1933 pelo matemático e cosmólogo britânico George McVittie.

McVittie descobriu que perto da massa, o espaço-tempo é como o de Schwarzschild, com um horizonte de eventos, mas longe da massa o universo está se expandindo como o nosso universo está hoje.

O parâmetro de Hubble, também chamado de constante de Hubble, especifica a taxa de expansão do universo.

Pop”awski usou a solução de McVittie para descobrir que a taxa de expansão do espaço no horizonte de eventos deve ser uma constante, relacionada apenas com a constante cosmológica (que pode ser interpretada como a densidade de energia do vácuo do espaço-tempo).

Hoje conhecemos isso como a densidade da energia escura. Ou seja, a única energia no horizonte é a energia escura. A consequência, disse ele, é que diferentes partes do universo se expandem em ritmos diferentes.

Na verdade, algo semelhante foi encontrado com a chamada “tensão de Hubble”, uma discrepância estatisticamente significativa entre dois valores medidos diferentes do parâmetro de Hubble, dependendo se são usadas medições do “universo tardio” ou técnicas do “universo inicial” baseadas em medições da radiação cósmica de fundo em micro-ondas.

No seu trabalho, Pop”awski disse que esta discrepância “é uma consequência natural de uma análise correta do espaço-tempo de um buraco negro num universo em expansão dentro da teoria geral da relatividade de Einstein”.

Além disso, as suas equações mostram que uma consequência da expansão do Universo a taxas diferentes é que a constante cosmológica – e portanto o valor da energia escura – deve ser positiva.

Caso contrário, sem essa constante, disse Pop”awski, “um universo fechado seria oscilatório e não poderia criar vazios cósmicos”.

“É a explicação mais simples da aceleração atual observada no universo.” Para uma estrela, digamos, o universo também está se expandindo nos limites de sua superfície, mas o corpo não se expande porque está ligado gravitacional e eletromagneticamente.

Um horizonte de eventos, porém, é algo matematicamente abstrato, não é algo feito de matéria ou energia, mas feito simplesmente de pontos do espaço, portanto, uma taxa de expansão constante do espaço não é surpreendente.

O próprio horizonte de eventos (e, portanto, um buraco negro) não está se expandindo; pontos do espaço fora do horizonte estão se afastando dele.

Os buracos negros reais giram, mas se a rotação for tipicamente lenta, as conclusões de Pop”awski também deveriam aplicar-se a eles, com uma boa aproximação. Mas medir o parâmetro Hubble num horizonte de eventos é atualmente impossível, a menos que sejam desenvolvidas novas técnicas.

Um observador no horizonte de eventos poderia, em princípio, medir o parâmetro de Hubble ali, mas seria para sempre incapaz de comunicar o seu valor ao resto do universo à medida que passasse pelo horizonte de eventos, e nenhuma informação poderia ser enviada de volta através dele.

Isto está relacionado, disse Pop”awski, com uma hipótese que publicou em 2010: que cada buraco negro é na verdade um buraco de minhoca (uma ponte Einstein-Rosen) para um novo universo no outro lado do seu horizonte de eventos.

“O horizonte de eventos é uma porta de entrada de um universo para outro”, disse ele.

“Essa porta não cresce com a expansão do universo…

Se isso ocorre para o horizonte de eventos do buraco negro que forma um universo, também deveria funcionar para os horizontes de eventos de outros buracos negros nesse universo.”

Fonte: phys.org