Em janeiro de 1916, Karl Schwarzschild, físico alemão como soldado posicionado na frente oriental, produziu a primeira solução exata para as equações da relatividade geral, a teoria da gravidade radical de dois meses de Albert Einstein. A relatividade geral retratou a gravidade não como uma força atraente, como havia sido entendida há muito tempo, mas como o efeito do espaço e do tempo curvos. A solução de Schwarzschild revelou a curvatura do espaço-tempo em torno de uma bola de matéria estacionária.
Curiosamente, Schwarzschild notou que se esse assunto estivesse confinado em um raio suficientemente pequeno, haveria um ponto de curvatura e densidade infinitas – uma “singularidade” – no centro.
Infinidades surgindo na física geralmente causam alarme, e nem Einstein, ao saber do resultado do soldado, nem o próprio Schwarzschild acreditava que tais objetos realmente existiam. Mas a partir da década de 1970, surgiram evidências de que o universo contém massas dessas entidades – apelidadas de “buracos negros” porque sua gravidade é tão forte que nada que entra neles, nem mesmo a luz, pode sair. A natureza das singularidades dentro dos buracos negros tem sido um mistério desde então.
Recentemente, uma equipe de pesquisadores afiliados à Black Hole Initiative (BHI) da Universidade de Harvard fez progressos significativos nesse quebra-cabeça. Paul Chesler, Ramesh Narayan e Erik Curiel examinaram o interior dos buracos negros teóricos que se assemelham aos estudados pelos astrônomos, procurando determinar que tipo de singularidade é encontrada no interior. Uma singularidade não é um lugar onde as quantidades realmente se tornam infinitas, mas “um lugar onde a relatividade geral se decompõe”, explicou Chesler. Nesse ponto, acredita-se que a relatividade geral dê lugar a uma descrição quântica mais exata, ainda desconhecida, da gravidade. Mas há três maneiras diferentes pelas quais a teoria de Einstein pode dar errado, levando a três tipos diferentes de singularidades possíveis. “Saber quando e onde a relatividade geral desmorona é útil para saber qual teoria [da gravidade quântica] está além dela”, disse Chesler.
O grupo BHI construiu sobre um grande avanço alcançado em 1963, quando o matemático Roy Kerr resolveu as equações de Einstein para um buraco negro giratório – uma situação mais realista do que a que Schwarzschild assumiu, já que praticamente tudo no universo gira. Esse problema era mais difícil que o de Schwarzschild, porque os objetos em rotação têm protuberâncias no centro e, portanto, carecem de simetria esférica. A solução de Kerr descreveu inequivocamente a região fora de um buraco negro giratório, mas não seu interior.
O buraco negro de Kerr ainda era um tanto irreal, pois ocupava um espaço desprovido de matéria. Os pesquisadores da BHI perceberam que isso tinha o efeito de tornar a solução instável; a adição de até uma única partícula pode alterar drasticamente a geometria espaço-temporal interna do buraco negro. Na tentativa de tornar seu modelo mais realista e mais estável, eles espalharam matéria de um tipo especial chamado “campo escalar elementar” dentro e ao redor do buraco negro teórico. E enquanto a solução original de Kerr dizia respeito a um buraco negro “eterno” que sempre existia, os buracos negros em suas análises se formaram a partir do colapso gravitacional, como os que abundam no cosmos.
Primeiro, Chesler, Narayan e Curiel testaram sua metodologia em um buraco negro esférico carregado, não giratório, formado a partir do colapso gravitacional da matéria em um campo escalar elementar. Eles detalharam suas descobertas em um artigo publicado no site de pré-impressão científica arxiv.org em fevereiro. Em seguida, Chesler abordou as equações mais complicadas referentes a um buraco negro rotativo formado de forma semelhante, relatando seus resultados a solo três meses depois.
Suas análises mostraram que ambos os tipos de buracos negros contêm dois tipos distintos de singularidades. Um buraco negro é envolto dentro de uma esfera chamada horizonte de eventos: uma vez que a matéria ou a luz atravessa esse limite invisível e entra no buraco negro, ele não pode escapar. Dentro do horizonte de eventos, sabe-se que buracos negros carregados, estacionários e rotativos, têm uma segunda superfície esférica sem retorno, chamada horizonte interno. Chesler e seus colegas descobriram que, para os buracos negros que estudaram, uma singularidade “nula” inevitavelmente se forma no horizonte interno, um achado consistente com resultados anteriores. A matéria e a radiação podem passar por esse tipo de singularidade durante a maior parte da vida do buraco negro, explicou Chesler, mas, à medida que o tempo passa, a curvatura espaço-tempo cresce exponencialmente, “tornando-se infinita em tempos infinitamente tardios”.
“É a primeira vez que uma derivação direta é dada para a ocorrência de uma singularidade espacial dentro de buracos negros em rotação.” Amos Ori
Os físicos mais queriam descobrir se seus buracos negros quase realistas têm uma singularidade central – um fato que só foi estabelecido com certeza para buracos negros simples de Schwarzschild. E se existe uma singularidade central, eles queriam determinar se é “espacial” ou “temporal”. Esses termos derivam do fato de que uma vez que uma partícula se aproxima de uma singularidade espacial, não é possível evoluir as equações da relatividade geral para a frente em tempo; a evolução é permitida apenas na direção do espaço. Inversamente, uma partícula que se aproxima de uma singularidade semelhante ao tempo não será inexoravelmente atraída para dentro; ainda tem um futuro possível e, portanto, pode avançar no tempo, embora sua posição no espaço seja fixa. Os observadores externos não podem ver singularidades espaciais, porque as ondas de luz sempre se movem para eles e nunca saem. As ondas de luz podem surgir de singularidades semelhantes ao tempo, tornando-as visíveis para os de fora.
Desses dois tipos, uma singularidade semelhante ao espaço pode ser preferível aos físicos, porque a relatividade geral só se decompõe no ponto da própria singularidade. Para uma singularidade temporal, a teoria vacila em todo lugar nesse ponto. Um físico não tem como prever, por exemplo, se a radiação emergirá de uma singularidade temporal e qual pode ser sua intensidade ou amplitude.
O grupo descobriu que, para os dois tipos de buracos negros que examinaram, existe de fato uma singularidade central, e é sempre espacial. Supunha-se que esse fosse o caso de muitos, senão da maioria dos astrofísicos que tinham uma opinião, observou Chesler, “mas não se sabia ao certo”.
O físico Amos Ori, especialista em buracos negros do Technion em Haifa, Israel, disse sobre o novo artigo de Chesler: “Que eu saiba, esta é a primeira vez que uma derivação direta é dada para a ocorrência de um espaço. singularidade dentro de buracos negros em rotação. “
Gaurav Khanna, físico da Universidade de Massachusetts, Dartmouth, que também investiga singularidades de buracos negros, chamou os estudos da equipe de BHI de “grande progresso – um salto quântico além dos esforços anteriores nessa área”.
Embora Chesler e seus colaboradores tenham reforçado o fato de que os buracos negros astrofísicos têm singularidades espaciais em seus núcleos, eles ainda não provaram isso. O próximo passo é fazer cálculos mais realistas que vão além dos campos escalares elementares e incorporam formas mais desorganizadas de matéria e radiação.
Chesler enfatizou que as singularidades que aparecem nos cálculos dos buracos negros devem desaparecer quando os físicos elaboram uma teoria quântica da gravidade que pode lidar com as condições extremas encontradas nesses pontos. Segundo Chesler, o ato de levar a teoria de Einstein ao limite e de ver exatamente como ela falha “pode guiá-lo na construção da próxima teoria”.
Publicado em 03/12/2019
Artigo original:
Estudo no Arxiv:
Achou importante? Compartilhe!
Assine nossa newsletter e fique informado sobre Astrofísica, Biofísica, Geofísica e outras áreas. Preencha seu e-mail no espaço abaixo e clique em “OK”: