Desde que os cientistas descobriram a existência de buracos negros em nosso universo, todos nós nos perguntamos: o que poderia existir além do véu daquele terrível vazio?

O buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea é conhecido como Sagitário A * (Sgr A *). Crédito: SCIENCE PHOTO LIBRARY

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Além disso, desde que a teoria da Relatividade Geral foi proposta pela primeira vez, os cientistas foram forçados a se perguntar, o que poderia ter existido antes do nascimento do Universo, ou seja, antes do Big Bang?

Curiosamente, essas duas questões foram resolvidas (de certo modo) com a existência teórica de algo conhecido como Singularidade Gravitacional - um ponto no espaço-tempo onde as leis da física como as conhecemos não se aplicam. E embora ainda existam desafios e questões não resolvidas sobre esta teoria, muitos cientistas acreditam que sob o véu de um horizonte de eventos, e no início do Universo, isso era o que existia.

Definição:

Em termos científicos, uma singularidade gravitacional (ou singularidade espaço-tempo) é um local onde as quantidades que são usadas para medir o campo gravitacional tornam-se infinitas de uma forma que não depende do sistema de coordenadas. Em outras palavras, é um ponto em que todas as leis físicas são indistinguíveis umas das outras, onde espaço e tempo não são mais realidades inter-relacionadas, mas se fundem indistinguivelmente e deixam de ter qualquer significado independente.

A impressão deste artista descreve um buraco negro supermassivo girando rapidamente cercado por um disco de acreção. Crédito: ESA / Hubble, ESO, M. Kornmesse

Origem da Teoria:

Singularidades foram inicialmente predicadas como resultado da Teoria da Relatividade Geral de Einstein, que resultou na existência teórica de buracos negros. Em essência, a teoria previa que qualquer estrela que alcançasse além de um certo ponto em sua massa (também conhecido como o raio de Schwarzschild) exerceria uma força gravitacional tão intensa que entraria em colapso.

Nesse ponto, nada seria capaz de escapar de sua superfície, inclusive a luz. Isso se deve ao fato da força gravitacional exceder a velocidade da luz no vácuo - 299.792.458 metros por segundo (1.079.252.848,8 km/h; 670.616.629 mph).

Este fenômeno é conhecido como Limite de Chandrasekhar, em homenagem ao astrofísico indiano Subrahmanyan Chandrasekhar, que o propôs em 1930. Atualmente, acredita-se que o valor aceito desse limite seja de 1,39 Massas Solares (ou seja, 1,39 vezes a massa do nosso Sol), que resulta em impressionantes 2.765x10³⁰ kg (ou 2.765 trilhões de trilhões de toneladas métricas).

Outro aspecto da Relatividade Geral moderna é que na época do Big Bang (ou seja, o estado inicial do Universo) era uma singularidade. Roger Penrose e Stephen Hawking desenvolveram teorias que tentavam responder como a gravitação poderia produzir singularidades, que eventualmente se fundiram para serem conhecidos como Teoremas de Singularidade de Penrose – Hawking.

A Teoria do Big Bang: Uma história do Universo partindo de uma singularidade e se expandindo desde então. Crédito: grandunificationtheory.com

De acordo com o Teorema da Singularidade de Penrose, que ele propôs em 1965, uma singularidade semelhante ao tempo ocorrerá dentro de um buraco negro sempre que a matéria atingir certas condições de energia. Nesse ponto, a curvatura do espaço-tempo dentro do buraco negro torna-se infinita, transformando-o em uma superfície presa onde o tempo deixa de funcionar.

O Teorema da Singularidade de Hawking acrescentou a isso afirmando que uma singularidade semelhante ao espaço pode ocorrer quando a matéria é comprimida à força até um ponto, fazendo com que as regras que governam a matéria sejam quebradas. Hawking rastreou isso no tempo até o Big Bang, que ele afirmou ser um ponto de densidade infinita. No entanto, Hawking posteriormente revisou isso para afirmar que a relatividade geral se quebra às vezes antes do Big Bang e, portanto, nenhuma singularidade poderia ser prevista por ela.

Algumas propostas mais recentes também sugerem que o Universo não começou como uma singularidade. Isso inclui teorias como Loop Quantum Gravity, que tenta unificar as leis da física quântica com a gravidade. Essa teoria afirma que, devido aos efeitos da gravidade quântica, há uma distância mínima além da qual a gravidade não continua mais a aumentar, ou que as ondas de partículas interpenetrantes mascaram os efeitos gravitacionais que seriam sentidos à distância.

Tipos de singularidades:

Os dois tipos mais importantes de singularidades espaço-temporais são conhecidas como Singularidades da Curvatura e Singularidades Cônicas. As singularidades também podem ser divididas de acordo com o fato de estarem ou não cobertas por um horizonte de eventos. No caso da primeira, você tem a Curvatura e a Cônica; enquanto na última, você tem o que é conhecido como Singularidades Nuas.

A Singularidade de uma Curvatura é melhor exemplificada por um buraco negro. No centro de um buraco negro, o espaço-tempo torna-se um ponto unidimensional que contém uma enorme massa. Como resultado, a gravidade se torna infinita e as curvas de espaço-tempo infinitamente, e as leis da física como as conhecemos deixam de funcionar.

As singularidades cônicas ocorrem quando há um ponto onde o limite de toda quantidade de covariância geral é finito. Nesse caso, o espaço-tempo parece um cone ao redor desse ponto, onde a singularidade está localizada na ponta do cone. Um exemplo de tal singularidade cônica é uma corda cósmica, um tipo de ponto unidimensional hipotético que se acredita ter se formado durante o início do Universo.

E, como mencionado, existe a Singularidade Nua, um tipo de singularidade que não se esconde por trás de um horizonte de eventos. Elas foram descobertas pela primeira vez em 1991 por Shapiro e Teukolsky usando simulações de computador de um plano giratório de poeira que indicava que a Relatividade Geral poderia permitir singularidades “nuas”.

Nesse caso, o que realmente acontece dentro de um buraco negro (ou seja, sua singularidade) seria visível. Tal singularidade seria teoricamente o que existia antes do Big Bang. A palavra-chave aqui é teórica, pois permanece um mistério como esses objetos seriam.

Por enquanto, as singularidades e o que realmente está sob o véu de um buraco negro permanecem um mistério. Com o passar do tempo, espera-se que os astrônomos consigam estudar os buracos negros com mais detalhes. Espera-se também que, nas próximas décadas, os cientistas encontrem uma maneira de fundir os princípios da mecânica quântica com a gravidade, e que isso lance mais luz sobre como essa força misteriosa opera.

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Referência:

WILLIAMS, Matt. What is a Singularity? Universe Today, 16, fev. 2011. Disponível em: <https://www.universetoday.com/84147/singularity/>. Acesso em: 24, jun. 2021.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.