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
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