Os buracos negros são tão simples quanto parecem ou há mais em sua história?

As teorias que tentam resolver o chamado paradoxo da informação do buraco negro preveem que os buracos negros são muito mais complicados do que sugere a relatividade geral. Observações futuras de esferas de fótons, faixas de luz em redemoinho ao redor das bordas dos buracos negros poderão testar essas teorias.

Poderemos algum dia resolver o paradoxo da informação do buraco negro? Crédito da imagem: NASA

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O paradoxo da informação

De acordo com a teoria da relatividade geral de Albert Einstein, os buracos negros são surpreendentemente simples. Se você conhece a massa, carga e rotação de um buraco negro, você sabe tudo que há para saber sobre ele. Na verdade, os buracos negros são alguns dos personagens mais simples e diretos do universo.

Mas essa aparente simplicidade dá origem a um paradoxo preocupante. Na década de 1970, o famoso astrofísico Stephen Hawking percebeu que os buracos negros não são totalmente negros. Em vez disso, eles emitem radiação por meio de um sutil processo de mecânica quântica operando em seus horizontes de eventos, ou nas fronteiras dos buracos negros onde nada, nem mesmo a luz, pode escapar.

Como os buracos negros são tão simples e podem ser descritos com apenas três números, todas as informações sobre o material que cai nos buracos negros estão aparentemente trancadas para sempre. Não importa se você constrói um buraco negro com estrelas mortas e poeira interestelar ou um buraco negro com gatos; enquanto esses dois buracos negros tiverem o mesmo spin, massa e carga, eles serão idênticos.

Na formulação original de Hawking de seu processo de radiação, essa radiação não carregava nenhuma informação consigo. Mas à medida que o buraco negro emite radiação, ele evapora, eventualmente desaparecendo por completo, daí o chamado paradoxo da informação do buraco negro. Se um monte de informações cair em um buraco negro e as informações não puderem ser destruídas, então, quando o buraco negro desaparecer, para onde vão todas as informações?

Olhe para a luz

Nas últimas décadas, houve muitas tentativas de resolver o paradoxo da informação. Algumas dessas propostas envolvem ampliar nosso conhecimento da relatividade geral. Alguns envolvem tentativas de casar a relatividade geral com nossa compreensão da mecânica quântica. E algumas são simplesmente estranhas.

No momento, entretanto, todas as tentativas de resolver o paradoxo da informação não foram comprovadas. É muito difícil observar buracos negros diretamente, já que normalmente os vemos apenas quando eles interagem com seus arredores (geralmente engolindo grandes aglomerados de gás ou poeira) ou quando eles se fundem e liberam ondas gravitacionais.

Mas tudo isso mudou em 2019, quando uma rede global de telescópios conhecida como Event Horizon Telescope trabalhou em conjunto para entregar uma única imagem do M87*, um buraco negro supermassivo no centro da galáxia de Virgem.

Essa imagem é impressionante e assustadora. O vazio escuro no centro é a sombra lançada pelo horizonte de eventos do buraco negro, impedindo que qualquer luz atrás do buraco negro penetre. E esse vazio é cercado por um anel fantasmagórico de luz emitida pelo plasma superaquecido em torno do buraco negro.

Anel de Fogo

O que essa imagem pode nos dizer sobre a verdadeira natureza dos horizontes de eventos do buraco negro?

O horizonte de eventos do próprio buraco negro é muito menor que sua sombra; a sombra parece tão grande por causa da curvatura extrema do espaço perto do buraco negro. E situada em algum lugar entre esse horizonte de eventos e a borda da sombra está uma característica interessante que também resulta da curvatura extrema do espaço: a esfera de fótons. A esfera de fótons é uma região próxima a um buraco negro onde a gravidade é tão forte que a própria luz pode orbitar ao redor do buraco negro.

As órbitas dessa região são instáveis; os fótons podem dar voltas ao redor do buraco negro algumas vezes, mas não permanecerão para sempre. Eventualmente, eles irão escoar, dando origem a um fino anel de luz visível ao redor do buraco negro.

Na relatividade geral clássica, essa esfera de fótons é tão fina que mal existe e é muito tênue para ser vista na imagem do M87* tirada com o Event Horizon Telescope.

Agora, uma equipe de pesquisadores investigou as propriedades da esfera de fótons em teorias que tentam resolver o paradoxo da informação do buraco negro. Eles descobriram que algumas teorias complexas de horizontes de eventos de buracos negros influenciam o ambiente circundante, incluindo a esfera de fótons. Em algumas dessas teorias, é possível que a esfera do fóton seja muito mais ampla e, portanto, muito mais brilhante, para observadores distantes, escreveu a equipe em um artigo publicado recentemente no banco de dados de pré-impressão arXiv.

Apesar da mudança, as diferenças nas esferas de fótons entre a relatividade clássica e as previsões desses modelos exóticos ainda são muito pequenas para serem vistas com o Event Horizon Telescope. Mas a incrível imagem desse telescópio não será a última foto que tiraremos de um buraco negro. Tentativas futuras de estudar o M87* e outros buracos negros supermassivos fornecerão imagens de alta resolução. Se pudermos resolver o anel de fótons, estudar sua largura e brilho nos dará pistas sobre a natureza do horizonte de eventos e, em última análise, como resolver o paradoxo da informação do buraco negro.

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Referência: 

SUTTER, Paul. Can we solve the black hole information paradox with 'photon spheres'? Space, 16, jul. 2021. Disponível em: <https://www.space.com/black-hole-information-paradox-photon-spheres>. Acesso em: 16, jul. 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.