Buracos negros podem morrer de forma diferente do que pensávamos

 A primeira imagem de um buraco negro foi feita usando observações do centro da galáxia M87 tiradas pelo Event Horizon Telescope. (Crédito da imagem: Colaboração do Telescópio Event Horizon)

Ainda não sabemos exatamente o que acontece quando os buracos negros morrem. 

Desde então Stephen Hawking descobriu que os buracos negros evaporar, sabemos que eles podem potencialmente desaparecer do nosso universo. Mas nossa compreensão da gravidade e da mecânica quântica não é poderosa o suficiente para descrever os últimos momentos da vida de um buraco negro.

Agora, uma nova pesquisa motivada pela teoria das cordas sugere possíveis, e igualmente estranhos, destinos para a evaporação de buracos negros: uma pepita remanescente que poderíamos, em princípio, acessar, ou uma singularidade não envolta por um horizonte de eventos.

A importância da radiação Hawking

Buracos negros não são, estritamente falando, inteiramente negros. Na relatividade geral pura, sem outras modificações ou considerações de outra física, eles permanecem pretos por toda a eternidade. Uma vez que um se forma, ele ficará lá fora, sendo um buraco negro, para sempre. Mas na década de 1970, Hawking usou a linguagem da mecânica quântica para explorar o que acontece perto da fronteira de um buraco negro, conhecido como Horizonte de eventos. 

Ele descobriu que, surpreendentemente, uma estranha interação entre os campos quânticos do nosso universo e a barreira de mão única do horizonte de eventos permitiu que a energia escapasse do buraco negro. Essa energia assume a forma de um fluxo lento, mas constante de radiação e partículas que vieram a ser conhecidas como radiação Hawking. Com cada pedaço de energia que escapa, o buraco negro perde massa e, portanto, encolhe, eventualmente deixando de existir. 

O aparecimento da radiação Hawking criou o que é conhecido como o paradoxo da informação do buraco negro. Todas as informações que descrevem o material que cai em um buraco negro atravessam o horizonte de eventos, para nunca mais serem vistas. Mas a radiação Hawking em si não carrega nenhuma informação com ela, e ainda assim o buraco negro eventualmente desaparece. Então, para onde foram todas as informações?

Indo além de Einstein

O paradoxo da informação do buraco negro é um sinal de néon gigante e piscante para os físicos de que não estamos entendendo alguma coisa. Pode ser que não entendamos a natureza da informação quântica, a natureza da gravidade ou a natureza dos horizontes de eventos – ou todos os três. A abordagem “mais fácil” para resolver o paradoxo da informação do buraco negro é desenvolver uma nova teoria da gravidade, indo além A teoria da relatividade geral de Einstein. 

Afinal, já sabemos que a relatividade geral se desfaz nos centros dos buracos negros, que são pequenas perfurações no espaço-tempo conhecidas como singularidades onde a densidade vai ao infinito. A única maneira de descrever corretamente a singularidade é através de uma teoria quântica da gravidade que prediz adequadamente como a gravidade forte se comporta em escalas extremamente pequenas. 

Infelizmente, atualmente não temos uma teoria de gravidade quântica. Seria bom olhar para as singularidades diretamente, mas até onde entendemos através da relatividade geral, todas as singularidades estão trancadas atrás de horizontes de eventos, tornando-as inacessíveis para nós. 

Mas estudando o processo de radiação Hawking, podemos encontrar um atalho para chegar perto de uma singularidade e entender a física maluca que acontece lá. À medida que os buracos negros evaporam, eles ficam cada vez menores e seus horizontes de eventos ficam desconfortavelmente próximos das singularidades centrais. Nos momentos finais da vida dos buracos negros, a gravidade se torna muito forte e os buracos negros tornam-se muito pequenos, para que possamos descrevê-los adequadamente com nosso conhecimento atual. Então, se pudermos desenvolver uma teoria da gravidade melhor, podemos usar os momentos finais da radiação Hawking para testar como a teoria se comporta. 

Existem muitos candidatos para uma teoria quântica da gravidade, sendo a teoria das cordas a mais desenvolvida. Embora não existam soluções conhecidas para a teoria das cordas, é possível pegar o que sabemos sobre as características gerais da teoria e usá-las para fazer versões modificadas da relatividade geral.

Singularidades nuas

Essas teorias modificadas não são as substituições corretas “completas” da relatividade geral, mas nos permitem examinar como a gravidade pode se comportar à medida que se aproxima cada vez mais do limite quântico. Recentemente, uma equipe de teóricos usou uma dessas teorias, conhecida como gravidade Einstein-dilaton-Gauss-Bonnet, para investigar os estados finais finais dos buracos negros em evaporação. Eles detalharam seu trabalho em um papel postado no banco de dados de pré-impressão arXiv(abre em nova aba) em maio. 

Os detalhes dos resultados da equipe são um pouco confusos. Isso ocorre porque a relatividade geral modificada não é tão bem compreendida quanto a relatividade geral regular, e resolver a matemática complicada requer uma série de aproximações e muita adivinhação. Ainda assim, os pesquisadores conseguiram pintar uma imagem geral do que está acontecendo. 

Uma das principais características da gravidade Einstein-dilaton-Gauss-Bonnet é que os buracos negros têm uma massa mínima, então os teóricos foram capazes de estudar o que acontece quando um buraco negro em evaporação começa a atingir essa massa mínima. 

Em alguns casos, dependendo da natureza exata da teoria e da evolução do buraco negro, o processo de evaporação deixa para trás uma pepita microscópica. Essa pepita não teria um horizonte de eventos, então, em princípio, você poderia voar com sua espaçonave até ela e pegá-la. Embora a pepita fosse extremamente exótica, ela pelo menos reteria todas as informações que caíram no buraco negro original, resolvendo assim o paradoxo.

 Outra possibilidade é que o buraco negro atinja sua massa mínima e abandone seu horizonte de eventos, mas ainda mantenha uma singularidade. Essas “singularidades nuas” parecem ser proibidas na relatividade geral normal, mas se existirem, seriam janelas diretas para o reino da gravidade quântica. 

Ainda não está claro se a gravidade Einstein-dilaton-Gauss-Bonnet representa um caminho válido para a gravidade quântica. Mas resultados como esse ajudam os físicos a iluminar um dos cenários mais complexos do universo e potencialmente fornecer orientações sobre como resolvê-los.

Fonte: Space.com