(Imagem: © Sophia Dagnello, NRAO / AUI / NSF (buraco negro); Imagezoo via Getty Images (abelha))
Os físicos há muito presumem que o universo é praticamente o mesmo em qualquer direção e agora descobriram uma nova maneira de testar essa hipótese: examinando a sombra de um buraco negro.
Se essa sombra for um pouquinho menor do que as teorias da física existentes prevêem, isso poderia ajudar a provar uma noção remota chamada gravidade abelha, que descreve o que aconteceria se a simetria aparentemente perfeita do universo não fosse tão perfeita afinal.
Se os cientistas pudessem encontrar um buraco negro com uma sombra tão pequena, isso abriria a porta para uma nova compreensão da gravidade – e talvez explique por que o universo está se expandindo cada vez mais rápido.
Mas para entender como essa ideia de abelha pode voar, vamos nos aprofundar em alguns fundamentos da física.
Olhando no espelho
Os físicos amam a simetria; afinal, ajuda-nos a compreender alguns dos segredos mais profundos do universo. Por exemplo, os físicos perceberam que se você realizar um experimento em física fundamental, poderá mover seu equipamento de teste para outro lugar e obter o mesmo resultado novamente (ou seja, se todos os outros fatores, como a temperatura e a força da gravidade, permanece o mesmo).
Em outras palavras, não importa onde você conduz seu experimento no espaço, você obterá o mesmo resultado. Por meio da lógica matemática, isso leva diretamente à lei da conservação do momento.
Outro exemplo: se você executar seu experimento e esperar um pouco antes de executá-lo novamente, obterá o mesmo resultado (novamente, todo o resto sendo igual). Essa simetria temporal leva diretamente à lei da conservação da energia – que a energia nunca pode ser criada nem destruída.
Existe outra simetria importante que constitui a base da física moderna. É chamada de simetria “Lorentz”, em homenagem a Hendrik Lorentz, o físico que descobriu tudo isso no início do século XX. Acontece que você pode pegar seu experimento e transformá-lo e (se todo o resto for igual) você obterá o mesmo resultado. Você também pode impulsionar seu experimento para uma velocidade fixa e ainda obter o mesmo resultado.
Em outras palavras, todo o resto sendo igual – e sim, estou repetindo isso muitas vezes, porque é importante – se você estiver conduzindo um experimento em repouso total e fazendo o mesmo experimento na metade da velocidade da luz, você obterá o mesmo resultado.
Esta é a simetria que Lorentz descobriu: as leis da física são as mesmas, independentemente da posição, tempo, orientação e velocidade.
O que ganhamos com essa simetria fundamental? Bem, para começar, temos toda a teoria da relatividade especial de Einstein, que estabelece uma velocidade constante da luz e explica como o espaço e o tempo estão ligados para objetos que viajam em velocidades diferentes.
Gravidade de abelha
A relatividade especial é tão essencial para a física que é quase uma metateoria da física: se você quiser inventar sua própria ideia de como o universo funciona, ela deve ser compatível com os ditames da relatividade especial.
Ou não.
Os físicos estão constantemente tentando inventar novas e aprimoradas teorias da física, porque as antigas, como a relatividade geral, que descreve como a matéria distorce o espaço-tempo e o modelo padrão da física de partículas, não podem explicar tudo no universo, como o que acontece no coração de um buraco negro. E um lugar muito interessante para procurar uma nova física é ver se alguma das noções acalentadas pode não ser tão precisa em condições extremas – noções acalentadas como a simetria de Lorentz.
Alguns modelos de gravidade argumentam que o universo não é exatamente simétrico, afinal. Esses modelos prevêem que há ingredientes extras no universo que o forçam a não obedecer exatamente à simetria de Lorentz o tempo todo. Em outras palavras, haveria uma direção especial, ou privilegiada, no cosmos.
Esses novos modelos descrevem uma hipótese apelidada de “gravidade da abelha”. Seu nome vem da suposta ideia de que os cientistas certa vez afirmaram que as abelhas não deveriam ser capazes de voar, porque não entendíamos como suas asas geravam sustentação. (Os cientistas nunca acreditaram realmente nisso, aliás.) Não entendemos totalmente como esses modelos de gravidade funcionam e como eles poderiam ser compatíveis com o universo que vemos, e ainda, lá estão eles, olhando-nos de frente como opções viáveis para a nova física.
Um dos usos mais poderosos dos modelos de gravidade dos abelhões é explicar potencialmente a energia escura – o fenômeno responsável pela expansão acelerada observada do universo. Acontece que o grau em que nosso universo viola a simetria de Lorentz pode ser vinculado a um efeito que gera expansão acelerada. E porque não temos ideia do que está criando a energia escura, essa possibilidade parece muito atraente.
A sombra negra
Então você tem uma nova teoria da gravidade buzzy baseada em algumas idéias esmagadoras de ícones, como violação de simetria. Onde você testaria essa ideia? Você iria para o lugar onde a gravidade é esticada até o limite absoluto: um buraco negro. No novo estudo, ainda não revisado por pares e publicado online em novembro de 2020 no banco de dados de pré-impressão arXiv, os pesquisadores fizeram exatamente isso, olhando para a sombra de um buraco negro em um universo hipotético modelado para ser o mais realista possível.
(Lembra-se da primeira imagem do buraco negro M87, produzida pelo Event Horizon Telescope apenas um ano atrás? Aquele vazio assustadoramente belo e escuro no centro do anel brilhante era na verdade a “sombra” do buraco negro, a região que sugou toda a luz por trás e ao redor dele.)
Para tornar o modelo o mais realista possível, a equipe colocou um buraco negro no fundo de um universo que estava acelerando em sua expansão (exatamente como o que observamos) e ajustou o nível de violação de simetria para corresponder ao comportamento da energia escura que os cientistas a medida.
Eles descobriram que, neste caso, a sombra de um buraco negro pode parecer até 10% menor do que seria em um mundo de “gravidade normal”, fornecendo uma maneira clara de testar a gravidade do zangão. Enquanto a imagem atual do buraco negro M87 é muito difusa para dizer a diferença, esforços estão em andamento para tirar fotos ainda melhores de mais buracos negros, sondando alguns dos mistérios mais profundos do universo no processo.
Publicado em 13/01/2021 19h24
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