'Fuzzballs' pode ser a resposta para um paradoxo de décadas sobre buracos negros

Alguns físicos pensam que precisamos atualizar seriamente como pensamos em buracos negros. Uma teoria que sugere que eles podem realmente se assemelhar a "bolas de fuzz" gigantes faria exatamente isso.

Na década de 1970, Stephen Hawking descobriu algo impossivelmente errado com os buracos negros: era matematicamente possível que eles encolhessem ou até desaparecessem. Se um buraco negro desaparecesse, isso significaria que tudo o que ele havia sugado também desapareceria. E na física, as coisas não devem simplesmente desaparecer – elas podem mudar sua forma, mas suas informações subatômicas componentes ainda precisam existir no universo.

Em outras palavras, os buracos negros, por sua simples existência, são capazes de destruir informações sobre partículas subatômicas que (de acordo com a física quântica) não deveriam ser destruídas. Esse problema – chamado de paradoxo da informação do buraco negro – atormenta a física há décadas. Mas o físico teórico Samir Mathur propôs uma solução: mudar a maneira como pensamos em buracos negros e imaginá-los como “bolas de fuzz”. 

Com base na imagem tradicional transmitida por pessoas como Einstein, “a mecânica quântica é violada quando você tem um buraco negro”, diz Mathur, professor da Universidade Estadual de Ohio especializado em física de buracos negros. “Uma vez que você tem uma situação como essa, você realmente não tem uma teoria da física.” É trabalho dos físicos, diz ele, reconciliar a relatividade geral, que explica o comportamento das coisas grandes, e a mecânica quântica, que funciona para as extremamente pequenas. Mathur acredita que a teoria do fuzzball poderia fazer exatamente isso. 

A imagem tradicional dos buracos negros

O paradoxo da informação – e as bolas de fuzz que podem resolvê-lo – depende da estrutura e do comportamento dos próprios buracos negros. Os buracos negros devem sua existência à força atrativa da gravidade. “Se você tem muita massa em algum lugar, então tudo nessa massa atrai todo o resto”, diz Mathur. “Se for uma estrela, cada ponto da estrela atrai todos os outros pontos da estrela. Então, ele tenta encolher.” 

Esse encolhimento resulta em uma região superdensa do espaço-tempo que engole tudo o que a encontra (mesmo a luz) chamada de buraco negro. Embora não deixe o medo de ser sugado para um buraco negro mantê-lo acordado à noite, diz Lia Medeiros, pós-doutoranda da National Science Foundation no Institute for Advanced Study; você teria que chegar bem perto para que isso acontecesse. De longe, um buraco negro se comporta como qualquer outro objeto com muita gravidade, como uma estrela. Mas se você se aproximar demais de um buraco negro, chegará a um ponto sem retorno chamado horizonte de eventos, “a distância do buraco negro onde, mesmo se você estiver se movendo na velocidade da luz, ainda pode não fuja disso”, explica Medeiros. 

E além desse horizonte de eventos, diz o pensamento tradicional, há um monte de espaço vazio, com todas as coisas que o buraco negro consumiu espremidas em um pequeno ponto no meio. Chamamos esse ponto de compressão de singularidade. 

Problemas e paradoxos

Dois problemas surgem desse modelo tradicional de buraco negro, diz Fabio Pacucci, astrofísico da Universidade de Harvard. Uma é que a ideia de uma singularidade – um ponto de densidade infinita e gravidade infinita – não combina bem com o mundo natural. Pacucci se lembra de um professor de física do ensino médio que lhe disse: “Se você encontrar um infinito, isso não é física, é matemática”. A natureza não lida com infinitos, diz ele. “Você nunca encontrará uma árvore infinitamente alta ou um planeta infinitamente massivo.” Embora seja possível que os buracos negros sejam a única coisa na natureza com propriedades infinitas, faz sentido ser cético.

Portanto, a singularidade é um problema. E, como se vê, alguns dos comportamentos que vemos ao redor do horizonte de eventos de um buraco negro também. Stephen Hawking e seus colegas mostraram que os buracos negros irradiam energia. Isso por si só não é um problema, mas carrega muita bagagem matemática. O processo, chamado radiação Hawking, envolve o caso de um par de partículas e antipartículas surgindo próximo ao horizonte de eventos de um buraco negro.

É possível que um deles (digamos a partícula, mas funciona nos dois sentidos) interaja com o horizonte de eventos e depois volte a girar no espaço, sem pegar nenhuma informação dentro do buraco negro para levar consigo. Seu gêmeo antipartícula, no entanto, pode ser sugado para o buraco negro. Uma vez dentro do buraco negro, aquela antipartícula solitária poderia encontrar uma única partícula, resultando nas duas, nas palavras de Pacucci, “aniquilando uma à outra”.

“Parece para um observador externo que o buraco negro está realmente perdendo massa, uma partícula de cada vez”, diz Pacucci. Isso resultaria no buraco negro perdendo um pouquinho da informação associada a essa partícula, e a informação deveria ser sempre conservada. Aí está o paradoxo. Também vale a pena notar que esse cenário só poderia acontecer em uma escala muito pequena, porque não há antipartículas flutuantes suficientes para acontecer em massa. Mas mesmo uma pequena perda de informação é um grande problema. Com tempo suficiente, esse processo muito lento pode levar ao desaparecimento de um buraco negro inteiro. 

Em sua essência, o paradoxo da informação surge porque os buracos negros abrangem dois mundos: eles podem ser massivos e, portanto, devem seguir as regras da relatividade geral, mas também encolhem a um ponto infinitesimalmente minúsculo, tornando-os território quântico. Os físicos vêm tentando conciliar sua imagem de buracos negros com a mecânica quântica há décadas. A solução fuzzball, proposta pelo físico teórico Mathur, envolve a criação de uma imagem totalmente nova. 

Uma solução difusa

Como muitos físicos, Mathur estava intrigado com os paradoxos dos buracos negros há muitos anos, e simplesmente não conseguia descobrir. Mas então ele e seus colegas se voltaram para a teoria das cordas, que afirma que tudo no universo é composto de pequenas cordas vibrantes. Eles modelaram matematicamente como seria um buraco negro feito de cordas. “Descobrimos que não se parecia em nada com a imagem tradicional”, diz Mathur. 

“Em vez de encolher até um ponto e deixar todo o espaço vazio ao redor, na verdade se transformou em algo que chamamos de bola de fuzz.” Mathur chegou pela primeira vez à hipótese do fuzzball em 1997. Ele continuou refinando e defendendo a teoria desde então . 

A teoria fuzzball acaba com o conceito de horizonte de eventos e a singularidade. Em vez disso, permite que as informações consumidas pelo buraco negro sejam distribuídas por toda a região como uma bagunçada bola de cordas. Ao se livrar do horizonte de eventos, uma partícula perdida ou antipartícula caindo em um buraco negro não resulta em destruição de informação; em vez disso, essas novas informações simplesmente são adicionadas à bola de fuzzball. Você ainda recebe seu buraco negro sempre faminto, mas não precisa se preocupar com o encolhimento e levando informações junto com ele. 

“Uma bola de fuzzball é tão insanamente densa que você coloca algo nela e ela permanece lá, mas leva um tempo insano para a coisa sair novamente”, diz Nicholas Warner, físico da Universidade do Sul da Califórnia. Nesse sentido, uma fuzzball imita o modelo tradicional de um buraco negro. No entanto, diz Warner, uma bola de fuzz na verdade se comporta mais como uma estrela muito densa, como uma anã branca, do que como o buraco negro descrito pela relatividade geral. Isso porque ainda podemos recuperar informações de dentro de uma anã branca. “Não há problema de informação com uma anã branca”, diz Warner. 

“São estados de matéria muito densos, mas, em princípio, você pode medi-los e ver o que acontece com o estado à medida que evolui. Considerando que um buraco negro, uma vez que cai no horizonte, você nunca pode ver nada dentro. 

Mistério resolvido?

Alguns físicos adotaram as bolas de fuzz em vez da imagem tradicional dos buracos negros — Warner as usa em seu trabalho há vinte anos. Mas a teoria fuzzball não é a única solução possível para o paradoxo da informação, nem a única maneira de reconciliar a relatividade geral e a mecânica quântica. Outros cientistas propuseram que a resposta pode estar em ilhas , firewalls , hologramas ou buracos de minhoca . Todas essas teorias tentam explicar as informações “desaparecidas” ou destruídas notadas pela primeira vez por Hawking. 

Enquanto os cálculos em torno da teoria da bola de fuzz funcionam no papel (ou em programas computacionais), as bolas de fuzz e os buracos negros não se comportam de maneira diferente o suficiente para os pesquisadores testarem sua existência na natureza. “Eu costumo querer que as coisas sejam testadas”, diz Medeiros, que co-coordena o grupo de trabalho de física gravitacional do Event Horizon Telescope, a rede mundial de telescópios usada para capturar a primeira imagem de um buraco negro em 2019 . “E é muito difícil testar a teoria das cordas.” 

Alguns pesquisadores evitam escolher lados quando se trata das várias soluções propostas para o paradoxo da informação. “Gosto de ter uma visão um pouco mais pluralista das coisas. Não acho que deva haver uma abordagem”, diz AW Peet, físico da Universidade de Toronto que usou bolas de fuzz em seu trabalho sobre o paradoxo da informação. Ultimamente, porém, eles têm seguido o princípio holográfico, que trata os buracos negros como telas bidimensionais em vez de objetos 3D, com informações consumidas preservadas no horizonte de eventos. 

 “Acho que as discussões entre pessoas que estão adotando abordagens diferentes produziram alguns resultados muito frutíferos”, observa Peet, mas “acho que talvez o impulso para chegar a uma 'resposta verdadeira' para uma pergunta e desconsiderar outras abordagens pode não ser o caminho mais frutífero a seguir.” 

Madeiros diz que ela também não é casada com nenhuma teoria. Ainda assim, ela observa que os cientistas estão no início de uma nova era da astrofísica dos buracos negros. “Acho que este é o começo do que espero que seja um novo campo muito frutífero, onde possamos finalmente reunir astrofísica e teoria de alta energia.” 

Enquanto isso, o trabalho de Mathur não para em fuzzballs. Ele agora está aplicando suas descobertas ao resto do universo, já que sua expansão é quase uma imagem espelhada de um buraco negro se contraindo. “Tudo o que você entende no céu, primeiro precisa entender a magia dos buracos negros”, diz Mathur. “A gravidade quântica mudou toda a estrutura do buraco negro. Então agora a questão é: 'O que isso faz por toda a estrutura de toda a cosmologia?' Acho que mudou”.

Fonte: Astronomy.com