Os buracos negros – que são formados a partir de estrelas massivas que não podem mais lutar contra o colapso gravitacional – podem não ser inteiramente ruas de mão única. É verdade que nem mesmo a luz que chega perto demais pode escapar de suas garras. Mas isso não impediu os cientistas de ponderar uma série de teorias sobre vários fenômenos que poderiam permitir que os buracos negros “vazassem” energia para o universo maior.
Esses mecanismos variam de pares de partículas divididos no horizonte de eventos de um buraco negro a poderosos jatos e explosões disparadas do disco ao redor do buraco negro, impulsionados por campos magnéticos como aqueles recentemente mapeados em torno do buraco negro supermassivo do M87. E em um estudo recente, publicado em 13 de janeiro na Physical Review D, os pesquisadores sugeriram que uma combinação de fenômenos de partículas e magnéticos podem se unir para ajudar a canalizar a energia dos buracos negros giratórios.
Um buraco negro giratório, ou buraco negro de Kerr, arrasta a própria estrutura do espaço-tempo com ele – um fenômeno chamado arrasto de quadro. A área em que o arrasto de quadro é mais proeminente é chamada de ergosfera, localizada fora do limite externo do horizonte de eventos. Esta é a região que faz parte de todas as teorias sobre como podemos extrair energia de um buraco negro.
“Os três processos consideram a mesma física: usar a ergosfera como forma de extrair energia diminuindo a rotação do buraco negro”, diz Felipe Asenjo, físico da Universidade Adolfo Ibáñez, no Chile e coautor da nova pesquisa, à Astronomia. “Estudamos um modelo para extrair energia de um buraco negro usando a reconexão magnética relativística que pode ocorrer em um plasma dentro da ergosfera.”
Mas, como você pode imaginar, a ergosfera de um buraco negro é um lugar complicado. E descobrir exatamente como ele poderia deixar a energia escapar das bestas mais poderosas e violentas do universo não é uma tarefa fácil.
Partículas partem
Na década de 1960, o físico inglês e ganhador do Nobel Roger Penrose já estava pensando em como os buracos negros – um termo que não foi cunhado até 1967 – poderiam servir como uma fonte de energia aproveitável. Em 1971, Penrose se juntou ao colega físico R.M. Floyd publicará um artigo apresentando o primeiro grande modelo de extração de energia de buracos negros.
“O processo de extração de energia proposto por Penrose é baseado em um evento de divisão de partículas”, diz Luca Comisso, físico da Universidade de Columbia que também é coautor da nova pesquisa. Primeiro, a partícula se divide em duas partes. Então, Comisso diz: “Uma parte termina em uma trajetória com energia negativa e a outra escapa do buraco negro”.
Em outras palavras, a partícula que escapa carrega o momentum para longe do buraco negro, o que reduz sua taxa de rotação. E se esse processo continuar inabalável, é possível que um buraco negro de Kerr possa eventualmente se tornar um buraco negro sem rotação, ou Schwarzchild.
No entanto, há algo que este mecanismo de extração de energia de divisão de partículas – chamado de processo Penrose – carece. “O processo Penrose é puramente mecânico. Não invoca campos magnéticos ou elétricos”, diz Comisso. Isso significa que outro mecanismo é necessário para explicar os efeitos dos campos magnéticos e elétricos de um buraco negro, o que pode ajudar a explicar alguns dos fenômenos mais poderosos em todo o universo.
Outro mecanismo que possivelmente poderia extrair energia dos buracos negros foi apresentado em 1977 por Roger Blandford e Roman Znajek.
O processo Blanford-Znajek envolve campos magnéticos que permeiam o material próximo, que se agita violentamente – o disco de acreção – que está sendo gradualmente alimentado à superfície como um buraco negro. A dupla descreveu como o momento angular de um buraco negro de Kerr pode ser minado pelos campos magnéticos associados ao seu disco de acreção. Eles acreditavam que isso fazia com que o disco expelisse jatos poderosos, extraindo assim a energia rotacional do buraco negro.
O melhor dos dois mundos?
O novo mecanismo de Comisso e Asenjo é um híbrido dos dois processos anteriores, sugerindo uma unificação dos fenômenos de partículas (Penrose) e magnéticos (Blanford-Znajek) para liberar energia dos buracos negros. Os poderosos campos magnéticos são violentamente quebrados quando o espaço-tempo é arrastado junto com a rotação do buraco negro. E quando esses campos magnéticos se reconectam, as partículas são lançadas violentamente para o espaço, levando energia de maneira muito semelhante ao processo de Penrose.
“Grandes quantidades de energia podem ser extraídas por esse processo [híbrido], que pode operar com uma eficiência que ultrapassa 100%. Como consequência, esse processo também produz um spin-down do buraco negro e pode potencialmente dar origem a chamas poderosas”, diz Comisso. “Eu acho que se o mecanismo que propomos existe ao lado dos mecanismos Penrose e Blandford-Znajek, o buraco negro vai realmente perder energia devido a uma combinação desses processos.”
Claro, essa conversa sobre energia extraída de buracos negros pode fazer com que você se pergunte se a humanidade algum dia poderia usar um buraco negro de Kerr como uma enorme bateria cósmica.
“É uma possibilidade, mesmo que não seja algo que será alcançado em um futuro próximo?, diz Comisso. ?Penrose imaginou uma civilização altamente avançada que poderia se sustentar colhendo energia de um buraco negro em rotação por meio do processo que ele propôs. Claro, há um grande – realmente grande – número de dificuldades que precisam ser superadas para que isso aconteça”.
No entanto, se os humanos forem capazes de colher energia de um buraco negro, podemos nos perguntar: De onde realmente vem essa energia?
“Para mim, a beleza está na compreensão sobre a fonte dessa energia”, diz Asenjo. “A energia extraída vem da energia rotacional do buraco negro. Mas é o espaço-tempo em torno do buraco negro que gira. Portanto, os mecanismos estão extraindo energia do próprio espaço-tempo”.
“É surpreendente perceber que a natureza pode fazer isso”, acrescenta Asenjo. Além disso, “pode haver outras maneiras de extrair energia do espaço-tempo que ainda precisam ser exploradas”.
Publicado em 10/04/2021 20h50
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