As áreas de buracos negros estão ligadas à quantidade de desordem no universo.

Um dos teoremas mais famosos de Stephen Hawking foi provado ser correto, usando ondulações no espaço-tempo causadas pela fusão de dois buracos negros distantes.

As ondas gravitacionais emitidas por dois buracos negros à medida que se espiralam, mostradas em uma simulação. Crédito da imagem: C. Henze / NASA Ames Research Center

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O teorema da área do buraco negro, que Hawking derivou em 1971 da teoria da relatividade geral de Einstein, afirma que é impossível que a área da superfície de um buraco negro diminua com o tempo. Essa regra interessa aos físicos porque está intimamente relacionada a outra regra que parece definir o tempo para correr em uma direção particular: a segunda lei da termodinâmica, que afirma que a entropia, ou desordem, de um sistema fechado deve sempre aumentar. Como a entropia de um buraco negro é proporcional à sua área de superfície, ambas devem sempre aumentar.

De acordo com o novo estudo, a confirmação dos pesquisadores da lei de área parece implicar que as propriedades dos buracos negros são pistas significativas para as leis ocultas que governam o universo. Estranhamente, a lei de área parece contradizer outro dos teoremas comprovados do famoso físico: que os buracos negros deveriam evaporar em uma escala de tempo extremamente longa, portanto, descobrir a fonte da contradição entre as duas teorias poderia revelar uma nova física.

"A área de superfície de um buraco negro não pode ser diminuída, o que é como a segunda lei da termodinâmica. Ele também tem uma conservação de massa, já que você não pode reduzir sua massa, então isso é análogo à conservação de energia", autor principal. Maximiliano Isi, astrofísico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts. “Inicialmente as pessoas pensavam 'Uau, que paralelo legal', mas logo percebemos que isso era fundamental. Os buracos negros têm uma entropia e é proporcional à sua área. Não é apenas uma coincidência engraçada, é um fato profundo sobre o mundo que eles revelam."

A área da superfície de um buraco negro é definida por uma fronteira esférica conhecida como horizonte de eventos, além desse ponto, nada, nem mesmo a luz, pode escapar de sua poderosa atração gravitacional. De acordo com a interpretação de Hawking da relatividade geral, à medida que a área de superfície de um buraco negro aumenta com sua massa, e como nenhum objeto lançado para dentro pode sair, sua área de superfície não pode diminuir. Mas a área da superfície de um buraco negro também encolhe quanto mais ele gira, então os pesquisadores se perguntaram se seria possível lançar um objeto com força suficiente para fazer o buraco negro girar o suficiente para diminuir sua área.

"Você fará com que ele gire mais, mas não o suficiente para contrabalançar a massa que acabou de adicionar", disse Isi. "Faça o que fizer, a massa e o giro farão com que você fique com uma área maior."

Para testar essa teoria, os pesquisadores analisaram as ondas gravitacionais, ou ondulações na estrutura do espaço-tempo, criadas 1,3 bilhão de anos atrás por dois buracos negros gigantes enquanto eles espiralavam um em direção ao outro em alta velocidade. Essas foram as primeiras ondas detectadas em 2015 pelo Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), feixe de laser capaz de detectar as menores distorções no espaço-tempo pela forma como alteram o comprimento do seu caminho.

Ao dividir o sinal em duas metades, antes e depois da fusão dos buracos negros, os pesquisadores calcularam a massa e o spin dos dois buracos negros originais e do novo combinado. Esses números, por sua vez, permitiram calcular a área da superfície de cada buraco negro antes e depois da colisão. 

"À medida que giram em torno um do outro cada vez mais rápido, as ondas gravitacionais aumentam em amplitude mais e mais até que eventualmente mergulham um no outro, criando uma grande explosão de ondas", disse Isi. "O que resta é um novo buraco negro que está neste estado de excitação, que você pode estudar analisando como ele está vibrando. É como se você fizesse um toque em um sino, os intervalos e durações específicos com que ele toca indicam a estrutura daquele sino, e também do que é feito."

A área de superfície do buraco negro recém-criado era maior do que os dois iniciais combinados, confirmando a lei de área de Hawking com um nível de confiança de mais de 95%. De acordo com os pesquisadores, seus resultados estão praticamente em linha com o que eles esperavam encontrar. A teoria da relatividade geral - de onde veio a lei de área - faz um trabalho muito eficaz na descrição de buracos negros e outros objetos de grande escala.

O verdadeiro mistério, entretanto, começa quando tentamos integrar a relatividade geral, as regras dos objetos grandes, com a mecânica quântica, aquelas dos muito pequenos. Eventos estranhos começam a acontecer, causando estragos em todas as nossas regras rígidas e rápidas e quebrando a lei da área completamente. 

Isso ocorre porque os buracos negros não podem encolher de acordo com a relatividade geral, mas podem de acordo com a mecânica quântica. O icônico físico britânico por trás da lei da área de superfície também desenvolveu um conceito conhecido como radiação Hawking, onde uma névoa de partículas é emitida nas bordas dos buracos negros por meio de estranhos efeitos quânticos. Esse fenômeno faz com que os buracos negros encolham e, eventualmente, por um período de tempo várias vezes maior que a idade do universo, evaporem. Essa evaporação pode ocorrer em escalas de tempo longas o suficiente para não violar a lei de área no curto prazo, mas isso é um pequeno consolo para os físicos.

“Estatisticamente, durante um longo período de tempo, a lei é violada”, disse Isi. "É como água fervente, você obtém vapor evaporando de sua panela, mas se você apenas se limitar a olhar para a água que desaparece dentro dela, você pode ficar tentado a dizer que a entropia da panela está diminuindo. Mas se você tomar o vapor em consideração também, sua entropia geral aumentou. É o mesmo com os buracos negros e a radiação Hawking."

Com a lei de área estabelecida para prazos curtos e médios, os próximos passos dos pesquisadores serão analisar os dados obtidos de mais ondas gravitacionais para percepções mais profundas que podem ser obtidas nos buracos negros.

"Estou obcecado por esses objetos por causa do quão paradoxais eles são. Eles são extremamente misteriosos e confusos, mas, ao mesmo tempo, sabemos que são os objetos mais simples que existem", disse Isi. "Isso, além do fato de estarem onde a gravidade encontra a mecânica quântica, os torna o playground perfeito para nossa compreensão do que é a realidade."

Os pesquisadores publicaram suas descobertas em 26 de maio no Journal Physical Review Letters.

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Referência: 

TURNER, Ben. Famous Stephen Hawking theory about black holes confirmed. Live Science, 18, jun. 2021. Disponível em: <https://www.livescience.com/hawking-theory-confirmed.html>. Acesso em: 21, jun. 2021.