Buracos negros podem se tornar aceleradores massivos de partículas

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Créditos: Alfred Pasieka / Science Photo Library via Getty Images.

Por Paul Sutter
Publicado na Live Science

Os buracos negros são motores poderosos de pura gravidade, capazes de puxar objetos com tanta intensidade que eles não tem como escapar.

Quando esses objetos se aproximam do horizonte de eventos, eles são acelerados a velocidades incríveis. Agora, alguns físicos estão sugerindo aproveitar a atração gravitacional dos buracos negros para criar aceleradores de partículas superpoderosos. O truque, segundo o novo estudo, é configurar tudo cuidadosamente para que as partículas não se percam para sempre no insaciável buraco negro. Essa nova visão pode nos ajudar a identificar os buracos negros através dos fluxos de partículas que eles mandam para longe.

Caindo juntas

Digamos que uma partícula comece a cair em um buraco negro. À medida que se aproxima do buraco negro, ela acelera, assim como uma bola acelera ao rolar colina abaixo. Na verdade, é muito pior do que uma bola rolando colina abaixo, porque a gravidade de um buraco negro é tão forte que as partículas podem cair na velocidade da luz.

O horizonte de eventos – a distância do buraco negro onde as partículas em queda atingem a velocidade da luz – define o limite do buraco negro.

Se uma partícula cair, ela estará perdida para sempre, presa dentro do horizonte de eventos, sem esperança de escapar. Ao pensar em fazer um acelerador de partículas, nessa região não daria certo, pois um acelerador que nunca cospe partículas não seria nada útil.

Mas pode ser o caso de apenas uma partícula solitária. Quando duas ou mais partículas estão envolvidas, as coisas podem ficar interessantes.

Indo ao extremo

Se duas partículas se aproximam de um buraco negro, cada uma recebe um grande aumento de energia. Nossos atuais aceleradores de partículas aceleram partículas pesadas a cerca de 99% a velocidade da luz, mas dá muito trabalho (e no caso do maior destruidor de átomos do mundo, o Grande Colisor de Hádrons, um anel de canais supercondutores de quase 27 quilômetros de comprimento). Os buracos negros criam esse tipo de aceleração insana simplesmente por existir.

À medida que as duas partículas se aproximam do horizonte de eventos, suas velocidades aumentam. E se por acaso elas tiverem a combinação certa de velocidade e direção, elas podem ricochetear uma na outra, enviando uma delas para um destino tormentoso, enquanto a outra contorna a borda do horizonte de eventos antes de voar para uma zona de segurança.

Esses eventos são raros, mas pesquisas anteriores descobriram que as partículas são capazes de colidir com energias arbitrariamente altas – tudo depende de quão perto elas podem chegar do horizonte de eventos (e quão perto elas chegam da velocidade da luz) no momento da colisão.

Este acelerador de partículas giratório funcionaria ainda melhor com buracos negros em rotação. Devido ao seu giro extremo, esses tipos de buracos negros podem girar no espaço-tempo ao redor do horizonte de eventos, permitindo que mais partículas alcancem sua vizinhança antes de voar para o infinito.

Porém, há um problema nesta história. Devido à natureza complexa da matemática envolvida, este cenário do buraco negro como um canhão de partículas só foi explorado naqueles que são conhecidos como buracos negros “extremos”. Esses são buracos negros teóricos que têm a menor massa possível que conseguem girar a uma determinada velocidade. Na vida real, os cientistas pensam que quase todos (senão absolutamente todos) os buracos negros são muito mais massivos do que estritamente precisariam ser.

Isso tornaria os buracos negros da vida real “não-extremos”, o que significa que, até agora, os físicos não tem certeza se poderiam atuar como colisores de partículas ou não.

Fazendo tudo funcionar

Acontece que sim, graças a uma nova pesquisa publicada em 1º de outubro no banco de dados de pré-publicação da arXiv e com publicação na revista Physics Review D. A nova pesquisa descobriu que buracos negros mais realistas – incluindo buracos negros massivos em rotação e buracos negros eletricamente carregados ainda podem acelerar partículas de maneira útil.

No entanto, não é uma arma genérica de partículas. A fim de obter a iniciação de alta velocidade necessária, as partículas que chegam precisam estar entrando em alta velocidade, o que meio que nega o ponto. Mas os pesquisadores descobriram que várias colisões de baixa velocidade podem ocorrer perto do horizonte de eventos, levando à produção de alta energia desejada.

Infelizmente, uma vez que as colisões têm que ocorrer perto do horizonte de eventos para alcançar tais energias insanas, quando elas escapam do buraco negro elas têm que lutar contra toda aquela gravidade quase avassaladora, desacelerando-as antes que elas alcancem a verdadeira liberdade no espaço interestelar. Felizmente, os pesquisadores encontraram uma solução para esse problema também, mostrando que as colisões de alta energia podem ocorrer em torno de buracos negros em rotação sem chegar muito perto dos horizontes de eventos – o que significa que as partículas podem se libertar na chama de glória.