Os buracos negros estão cada vez mais estranhos.

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Os buracos negros estão ficando mais estranhos a cada dia. Quando os cientistas confirmaram a existência dos gigantes na década de 1970, pensávamos que eles eram corpos muito simples e inertes. Então, o famoso físico Stephen Hawking descobriu que os buracos negros não são exatamente negros e, na verdade, emitem calor. E agora, um par de físicos percebeu que os objetos tipo-escuros também exercem uma pressão sobre seus arredores.

A descoberta de que buracos negros tão simples e não rotativos têm uma pressão e também uma temperatura é ainda mais emocionante, pois foi uma surpresa total", coautor Xavier Calmet, professor de física da Universidade de Sussex, na Inglaterra, disse em um comunicado.

Calmet e seu aluno de graduação, Folkert Kuipers, estavam examinando os efeitos quânticos próximos aos horizontes de eventos dos buracos negros, algo terrivelmente difícil de definir. Para resolver isso, os pesquisadores empregaram uma técnica para simplificar seus cálculos. Enquanto trabalhavam, um termo estranho apareceu na matemática de sua solução. Depois de meses de confusão, eles perceberam o que esse termo recém-descoberto significava: era uma expressão da pressão produzida por um buraco negro. Ninguém sabia que isso era possível antes, e isso muda a maneira como os cientistas pensam sobre os buracos negros e suas relações com o resto do universo.

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O mecanismo de Hawking

Na década de 1970, Hawking se tornou um dos primeiros físicos a aplicar a mecânica quântica para tentar entender o que acontece no horizonte de eventos - a área ao redor de um buraco negro além da qual nada, nem mesmo a luz, pode escapar. Antes desse trabalho, todo mundo havia simplesmente presumido que os buracos negros eram objetos simples. De acordo com a relatividade geral, a teoria da gravidade que primeiro sugeriu que os buracos negros poderiam existir, não há nada de notável no horizonte de eventos. O horizonte de eventos é o "limite" de um buraco negro, definindo a região onde sair do buraco negro exigiria viajar mais rápido que a luz. Mas era apenas uma linha imaginária no espaço, se acontecer de você cruzá-la, você nem saberá que o fez, até que você tente se virar e sair.

Hawking mudou tudo isso. Ele percebeu que a espuma quântica, que se refere a um mar de partículas constantemente surgindo e saindo da existência no vácuo do espaço-tempo, pode afetar essa visão simplista do horizonte de eventos. Às vezes, pares de partículas aparecem espontaneamente do vácuo vazio do espaço-tempo e, em seguida, aniquilam-se mutuamente em um lampejo de energia, devolvendo o vácuo ao seu estado original. Mas quando isso acontece muito perto de um buraco negro, um dos pares pode ficar preso atrás do horizonte de eventos e o outro escapa. O buraco negro fica com a conta de energia da partícula que escapou e, portanto, precisa perder massa.

Esse processo agora é conhecido como radiação Hawking, e foi por meio desses cálculos que descobrimos que os buracos negros não são inteiramente, 100% negros. Eles brilham um pouco. Esse brilho, conhecido como "radiação de corpo negro", significa que eles também têm calor e entropia (também chamados de "desordem") e todos os outros termos que geralmente aplicamos a objetos muito mais mundanos, como geladeiras e motores de automóveis. 

Uma técnica eficaz

Hawking se concentrou em como a mecânica quântica afetava a vizinhança de um buraco negro. Mas essa não é toda a história. A mecânica quântica não inclui a força da gravidade, e uma descrição completa do que está acontecendo perto dos horizontes de eventos terá que incluir a gravidade quântica, ou uma descrição de como a gravidade atua em escalas minúsculas. 

Desde a década de 1970, vários físicos têm tentado a sorte tanto no desenvolvimento de uma teoria da gravidade quântica quanto na aplicação dessas teorias à física do horizonte de eventos. A mais recente tentativa vem deste novo estudo realizado por Calmet e Kuipers, publicado em setembro na revista Physical Review D.

"Embora a pressão exercida pelo buraco negro que estávamos estudando seja minúscula, o fato de estar presente abre múltiplas possibilidades novas, abrangendo o estudo da astrofísica, física de partículas e física quântica."

Xavier Calmet

"A intuição marcante de Hawking de que os buracos negros não são negros, mas têm um espectro de radiação muito semelhante ao de um corpo negro, torna os buracos negros um laboratório ideal para investigar a interação entre a mecânica quântica, a gravidade e a termodinâmica", disse Calmet.

Sem uma teoria completa da gravidade quântica, a dupla usou uma técnica de aproximação chamada teoria do campo efetivo, ou EFT. Essa teoria assume que a gravidade no nível quântico é fraca, uma suposição que permite que você faça algum progresso nos cálculos sem que tudo desmorone, como acontece quando a gravidade no regime quântico é modelada como extremamente forte. Embora esses cálculos não revelem a imagem completa do horizonte de eventos, eles podem fornecer percepções ao redor e dentro do buraco negro.

"Se você considerar os buracos negros apenas dentro da relatividade geral, pode-se mostrar que eles têm uma singularidade em seus centros onde as leis da física como nós conhecemos não se aplicam", explicou Calmet. "Espera-se que, quando a teoria quântica de campos for incorporada à relatividade geral, possamos encontrar uma nova descrição dos buracos negros."

Aí vem a pressão

Calmet e Kuipers estavam explorando a termodinâmica dos buracos negros usando EFT nas proximidades do horizonte de eventos quando notaram um estranho termo matemático surgindo em suas equações. No início, o termo os confundiu completamente, eles não sabiam o que significava ou como interpretá-lo. Mas isso mudou durante uma conversa no dia de Natal de 2020. 

Eles perceberam que o termo nas equações representava uma pressão. Uma pressão verdadeiramente real. A mesma pressão que o ar quente exerce dentro de um balão ascendente, ou pressão sobre um pistão dentro do motor do seu carro.

"O momento em que percebemos que o resultado misterioso em nossas equações estava nos dizendo que o buraco negro que estávamos estudando tinha uma pressão, depois de meses lutando com ela, foi estimulante", lembrou Kuipers.

Essa pressão é quase absurdamente pequena, menos de 10⁵⁴ vezes menor do que a pressão do ar padrão na Terra. Mas está aí. Eles também descobriram que a pressão pode ser positiva ou negativa, dependendo da mistura particular de partículas quânticas perto do buraco negro. Uma pressão positiva é o tipo que mantém o balão inflado, enquanto uma pressão negativa é a tensão que você sente em um elástico esticado.

O resultado deles estende a ideia de buracos negros como entidades termodinâmicas que possuem não apenas temperatura e entropia, mas também pressão. Como seu trabalho apenas modela a gravidade quântica fraca e negligencia a gravidade forte, ela não pode explicar completamente o comportamento dos buracos negros, mas é um passo importante.

“Nosso trabalho é um passo nessa direção e, embora a pressão exercida pelo buraco negro que estudamos seja minúscula, o fato de estar presente abre múltiplas possibilidades novas, abrangendo o estudo da astrofísica, física de partículas e física quântica, "Calmet concluiu.

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Referência:

SUTTER, Paul. Strange mathematical term changes our entire view of black holes. Live Science, 23, set. 2021. Disponível em: <https://www.livescience.com/black-holes-press-out-on-universe>. Acesso em: 23, set. 2021.