Tire 8 dúvidas sobre os buracos negros e seu funcionamento

No início deste mês, escrevi um artigo sobre as novas ideias de Stephen Hawking em relação ao que acontece com a matéria que cai em um buraco negro. Muitos leitores responderam com questões. Alguns queriam saber o que acontece no centro de um buraco negro. Há um buraco de minhoca para outro espaço e tempo, outro universo, outro Big Bang, outra dimensão?

A resposta curta e honesta: ninguém sabe.

Não temos nenhuma teoria aceita de gravidade quântica, e isso é necessário para explicar o que acontece quando a gravidade é muito intensa e as distâncias muito curtas, como em um buraco negro ou no Big Bang. Segundo as equações clássicas da relatividade geral de Albert Einstein, a densidade da matéria e a energia se tornam infinitas sob tais circunstâncias, mas quando a infinidade aparece em cálculos científicos é normalmente um sinal de que alguma coisa está estranha. É por isso que o trabalho dos teóricos continua. Enquanto isso, as pessoas estão livres para imaginar qualquer coisa. E aqui vão algumas das grandes questões que consegui responder.

Como poderíamos detectar se um buraco negro está ou não passando por nosso sistema solar? Ou pior, como poderíamos detectar se nosso sistema solar está ou não no processo de ser absorvido por um buraco negro.

Como tudo no universo, um buraco negro estaria em movimento, orbitando o centro da galáxia, por exemplo. Ou orbitando um ao outro, como no caso dos buracos negros que colidiram e foram detectados pelos astrônomos da LIGO no começo deste ano. O sistema solar e os planetas também estão em movimento constante. Na verdade, uma lição da relatividade de Einstein é que não há padrão absoluto para o resto do universo. Se um buraco negro aparecer ou nós chegarmos perto de um, perceberíamos sua gravidade perturbando os planetas e as aeronaves. E, se ele passasse em frente de, por exemplo, Saturno, veríamos o planeta e seus anéis distorcidos.

Seria possível que alguém orbitasse brevemente (da sua própria perspectiva) um buraco negro supermassivo e "saltasse" milhões de anos no futuro?

Sim. Como foi mostrado no filme "Interestelar", o tempo parece andar mais devagar para alguém que está imerso em um campo gravitacional poderoso. Então, você poderia chegar perto de um grande buraco negro e o que pareceriam poucas horas para você poderiam ser milhares de anos para alguém observando de longe. Na verdade essa é a base da história de "Icarus at the Edge of Time" (Ícaro na Borda do Tempo), livro e filme de Brian Greene, físico da Universidade Colúmbia e empresário do Festival Mundial de Ciências.

Os buracos negros poderiam ser as sementes das galáxias?

É verdade que, até onde sabemos, todas as grandes galáxias abrigam um ou mais buracos negros supermassivos – com peso de milhões ou até bilhões de vezes a massa do Sol – em seu coração. Enquanto isso, parece haver uma correlação aproximada entre as massas desses buracos negros e as massas das galáxias em que vivem. Quando maior a galáxia, maior o buraco negro. Ninguém sabe o motivo.

O que determina o tempo de vida de um buraco negro? Já conseguimos gravar a explosão final de algum?

Ainda não vimos um buraco negro explodir. Até agora. Segundo a matemática de Hawking, a temperatura de um buraco negro é inversamente proporcional a sua massa. Assim, quanto menor ele for, mais quente será. Para objetos da astrofísica normal isso seria insignificante. Um buraco negro com a mesma massa do Sol irradiaria uma temperatura de cerca de 600 bilionésimos de Kelvin – mais frio do que qualquer um de nós já sentimos. Não perceberíamos isso – agora.

Mas esse é um processo de fuga. Enquanto um buraco negro desse tamanho irradia, ele encolhe ligeiramente e assim fica mais quente, o que faz com que encolha mais rapidamente e fique mais quente, e assim por diante até o fim dos tempos.

Um buraco negro de bilhões de toneladas (mais ou menos o tamanho de um pequeno asteroide) que pode ter sido espremido até passar a existir por uma pressão imensa do Big Bang estaria extremamente quente hoje, cuspindo raios gama a uma temperatura de 100 bilhões de graus. Os astrônomos pesquisaram o céu atrás de evidências de sua existência, mas não encontraram nada. O que não quer dizer que não existam. Eles poderiam estar muito longe ou em número muito pequeno para se destacar sobre os ruídos do universo e para ser registrados nos equipamento que temos hoje.

Se a matemática é usada para entender a física, qual a diferença entre os dois campos e como os físicos veem isso de modo diferente dos matemáticos?

É um dos grandes mistérios da natureza (sei que já usei muito essa frase) que a matemática funcione tão bem para descrever a física. O físico quântico Eugene Wigner se referiu à "eficiência irracional" da matemática. Parte disso parece milagroso, como quando o físico britânico Paul Dirac escreveu uma equação para o elétron em 1928 e descobriu que ela possuía duas soluções – uma com uma carga negativa, como os elétrons que já conhecíamos e amávamos, e a outra com uma carga positiva, que nunca havia sido observada, mas acabaria sendo. Essa equação previu a existência da antimatéria.

 

Sempre fico empolgado com o conceito da física quântica do entrelaçamento de partículas. "A ação assustadora à distância", para parafrasear Einstein, permite que duas partículas entrelaçadas "informem" uma à outra sem estarem fisicamente conectadas. Se uma partícula entrelaçada cai em um buraco negro, poderia conseguir informação de fora vendo a outra partícula entrelaçada que não está no buraco?

Essa é uma pergunta boa e assustadora.

Isso não apenas pode acontecer, mas é aparentemente necessário para que a informação escape de um buraco negro. Infelizmente, a partícula fora do horizonte de eventos – a fronteira invisível que é o ponto sem retorno do buraco negro – também precisa estar entrelaçada com outra partícula que já surgiu do buraco negro, e as leis da mecânica quântica impedem esse tipo de arranjo promíscuo, o que leva a um paradoxo e à possibilidade de que exista uma barreira na borda do buraco negro.

Não há nada que impeça que os buracos negros se fundam, mas como é possível tornar um buraco negro maior com estrelas engolidas quando todos os observadores possíveis estão do lado de fora?

Os observadores externos vão ver qualquer coisa que caia em um buraco negro basicamente congelar no horizonte de eventos. O termo original para esses objetos era "estrela congelada". Mas seu campo gravitacional ainda está lá, como um fantasma da estrela que desapareceu. Assim, qualquer coisa que caia em um buraco negro apenas adiciona sua própria gravidade ao que estava lá antes. Dessa forma, o "buraco" fica maior ao longo do tempo à medida que seu campo aumenta.

Meu entendimento da Radiação de Hawking é que a espuma quântica surge com sua existência normalmente evanescente exatamente no horizonte de eventos, mas antes que se dissolva de volta para o nada, uma parte é sugada e outra, explodida no espaço. O que eu não entendo é por que isso pode fazer com que o buraco negro evapore.

Existem várias maneiras de visualizar um processo de vazamento de um buraco negro. Uma das minhas favoritas é a de Dennis Sciama, o mentor de Hawking, que disse que por causa da incerteza quântica, a localização exata do horizonte de eventos – a casca esférica no espaço que delineia o ponto sem retorno – seria incerta e flutuaria ou se agitaria como resultado. Essa agitação no forte campo gravitacional poderia custar toda a energia e, consequentemente, a massa. O próprio Hawking imagina um par de partículas virtuais, que estão constantemente surgindo por um curto período a partir de energia emprestada do campo gravitacional de um buraco negro. Se uma delas cai dentro do buraco negro, sua energia é devolvida; mas a outra então pode fugir, e sua energia não volta. Como resultado, o buraco negro perde uma pequena quantidade de massa em cada uma dessas transações, da mesma maneira que um hacker que suga uma fração de centavo por vez de transações bancárias pode acabar juntando uma fortuna.

FONTE: Dennis Overbye - UOL