Em 1974, Stephen Hawking teorizou que os gigantes gravitacionais mais escuros do universo, os buracos negros, não eram os engolidores de estrelas que os astrônomos imaginavam, mas emitiam luz espontaneamente – um fenômeno agora conhecido como radiação Hawking.
O problema é que nenhum astrônomo jamais observou a misteriosa radiação de Hawking e, como está previsto que seja muito fraca, eles nunca verão. É por isso que os cientistas hoje estão criando seus próprios buracos negros.
Pesquisadores do Instituto de Tecnologia Technion-Israel fizeram exatamente isso. Eles criaram um buraco negro análogo a partir de alguns milhares de átomos. Eles estavam tentando confirmar duas das previsões mais importantes de Hawking, que a radiação Hawking surge do nada e que não muda em intensidade com o tempo, o que significa que é estacionária.
“Um buraco negro deve irradiar como um corpo negro, que é essencialmente um objeto quente que emite uma radiação infravermelha constante”, disse à Phys o co-autor do estudo Jeff Steinhauer, professor associado de física do Instituto de Tecnologia Technion-Israel. org. “Hawking sugeriu que os buracos negros são como estrelas regulares, que irradiam um certo tipo de radiação o tempo todo, constantemente. Isso é o que queríamos confirmar em nosso estudo, e o fizemos.”
O horizonte do evento
A gravidade de um buraco negro é tão poderosa que nem mesmo a luz pode escapar de seu alcance, uma vez que um fóton, ou partícula de luz, cruza além de seu ponto de não retorno, chamado de horizonte de eventos. Para escapar dessa fronteira, uma partícula teria que quebrar as leis da física e viajar mais rápido do que a velocidade da luz.
Hawking mostrou que, embora nada que cruze o horizonte de eventos possa escapar, os buracos negros ainda podem emitir luz espontaneamente da fronteira, graças à mecânica quântica e a algo chamado “partículas virtuais”.
Conforme explicado pelo princípio da incerteza de Heisenberg, mesmo o vácuo completo do espaço está repleto de pares de partículas “virtuais” que entram e saem da existência. Essas partículas fugazes com energias opostas geralmente se aniquilam quase imediatamente. Mas, devido à extrema atração gravitacional no horizonte de eventos, Hawking sugeriu que pares de fótons poderiam ser separados, com uma partícula sendo absorvida pelo buraco negro e a outra escapando para o espaço. O fóton absorvido tem energia negativa e subtrai energia na forma de massa do buraco negro, enquanto o fóton que escapou torna-se radiação Hawking. Só com isso, com tempo suficiente (muito mais do que a idade do universo), um buraco negro poderia evaporar completamente.
“A teoria de Hawking foi revolucionária porque ele combinou a física da teoria quântica de campos com a relatividade geral”, a teoria de Einstein que descreve como a matéria distorce o espaço-tempo, disse Steinhauer ao Live Science. “Ainda está ajudando as pessoas a buscarem novas leis da física estudando a combinação dessas duas teorias em um exemplo físico. As pessoas gostariam de verificar essa radiação quântica, mas é muito difícil com um buraco negro real porque a radiação Hawking é muito fraca em comparação à radiação de fundo do espaço. ”
Esse problema inspirou Steinhauer e seus colegas a criar seu próprio buraco negro – um buraco negro mais seguro e muito menor do que o verdadeiro.
Buraco negro faça você mesmo
O buraco negro criado pelos pesquisadores foi feito de um gás fluindo de aproximadamente 8.000 átomos de rubídio resfriado a quase zero absoluto e mantido no lugar por um feixe de laser. Eles criaram um estado misterioso da matéria, conhecido como Condensado de Bose-Einstein (BEC), que permite que milhares de átomos atuem juntos em uníssono como se fossem um único átomo.
Usando um segundo feixe de laser, a equipe criou um penhasco de energia potencial, que fez com que o gás fluísse como água correndo por uma cachoeira, criando assim um horizonte de eventos onde uma metade do gás estava fluindo mais rápido do que a velocidade do som, a outra meio mais lento. Neste experimento, a equipe estava procurando por pares de fônons, ou ondas sonoras quânticas, em vez de pares de fótons, formando-se espontaneamente no gás.
Um fônon na metade mais lenta podia viajar contra o fluxo de gás, para longe do penhasco, enquanto o fônon na metade mais rápida ficava preso pela velocidade do fluxo supersônico do gás, explicou Steinhauer. “É como tentar nadar contra uma corrente que é mais rápido do que você pode nadar. É como estar em um buraco negro, uma vez que você está dentro, é impossível alcançar o horizonte.”
Assim que encontraram esses pares de fônons, os pesquisadores tiveram que confirmar se eles estavam correlacionados e se a radiação de Hawking permanecia constante ao longo do tempo (se era estacionária). Esse processo era complicado porque toda vez que eles tiravam uma foto do buraco negro, ela era destruída pelo calor criado no processo. Assim, a equipe repetiu seu experimento 97.000 vezes, fazendo mais de 124 dias de medições contínuas para encontrar as correlações. No final, a paciência deles valeu a pena.
“Nós mostramos que a radiação de Hawking era estacionária, o que significa que não mudou com o tempo, que é exatamente o que Hawking previu”, disse Steinhauer.
Publicado em 04/03/2021 12h45
Artigo original:
Estudo original: