Os buracos negros são regiões do espaço onde a atração gravitacional é tão forte que nada consegue escapar deles, nem mesmo a luz. Estas regiões fascinantes têm sido o foco de inúmeros estudos, mas parte da física subjacente à sua formação ainda não é totalmente compreendida.
Os buracos negros são formados no que é conhecido como colapso gravitacional. Esta é essencialmente a contração de um objeto cosmológico, provocada pela sua própria gravidade, atraindo a matéria para dentro (isto é, em direção ao centro de gravidade do objeto).
Se esse objeto em colapso forma ou não um buraco negro depende das propriedades específicas do objeto. Em alguns casos, um objeto pode estar muito próximo do limiar, tendo dificuldade em decidir se formará ou não um buraco negro. Este tipo de colapso resulta nos chamados fenômenos críticos.
Os físicos têm tentado compreender os fenômenos críticos do colapso gravitacional há décadas, já que algumas de suas propriedades são compartilhadas por outros sistemas físicos bem conhecidos. Um artigo recente publicado na Physical Review Letters por uma colaboração internacional de investigação baseada no Bowdoin College nos Estados Unidos e noutros institutos na Alemanha, Praga, Reino Unido e Portugal, encontrou acordo entre três simulações numéricas destes fenômenos conduzidas de forma independente e resolveu alguns problemas de longa data.
“Fenômenos críticos no colapso gravitacional, perto do início da formação de buracos negros, foram relatados pela primeira vez por Matt Choptuik há cerca de 30 anos”, disse Thomas W. Baumgarte, co-autor do artigo, ao Phys.org.
“Em parte porque estes efeitos partilham muitas propriedades com fenômenos críticos noutros campos da física (por exemplo, transições de fase na física estatística) e em parte porque abordam questões fundamentais relativas às propriedades da relatividade geral, chamaram imediatamente a atenção de muitos investigadores de diferentes campos da física.”
Duas das propriedades mais fascinantes do colapso gravitacional crítico são a universalidade e a autossimilaridade. Neste contexto, o termo universalidade refere-se à ideia de que não importa como comece um cálculo, à medida que se aproxima o início da formação de um buraco negro, a solução será sempre a mesma. A autossimilaridade, por outro lado, significa que esta solução universal repetirá os mesmos padrões à medida que a escala física for reduzida.
“Embora os cálculos de Choptuik envolvessem o chamado campo escalar como fonte de matéria, Andrew Abrahams e Chuck Evans logo depois relataram efeitos semelhantes para o colapso gravitacional de ondas gravitacionais (ou seja, para gravidade pura na ausência de qualquer matéria)”, explicou Baumgarte.
“Outra diferença é que Choptuik foi capaz de assumir a simetria esférica, enquanto as ondas gravitacionais não podem existir na simetria esférica, de modo que Abrahams e Evans tiveram que relaxar a suposição de simetria esférica. Infelizmente, tem sido muito difícil reproduzir estes últimos resultados, já que alguns códigos numéricos falharam completamente neste caso, ou forneceram resultados que pareciam contradizer os de Abrahams e Evans.”
Após os resultados aparentemente contraditórios obtidos na década de 1990, a natureza do colapso crítico da “gravidade pura” permaneceu um mistério não resolvido durante quase três décadas. Recentemente, no entanto, três grupos de pesquisa diferentes realizaram simulações numéricas independentes deste colapso, utilizando códigos desenvolvidos de forma independente.
“Todos esses três códigos resolvem as equações da relatividade geral de Einstein, mas usam estratégias numéricas completamente diferentes (por exemplo, métodos espectrais versus métodos de diferenças finitas)”, disse Baumgarte. “Coordenadas cartesianas versus coordenadas polares esféricas, diferentes condições de medição, etc. Todos os três códigos também fazem escolhas diferentes para a chamada ‘condição de corte’ (ou seja, adotam escolhas diferentes para a taxa de avanço do tempo nos códigos).”
O objetivo principal do estudo recente de Baumgarte e seus colegas foi examinar coletivamente as três simulações numéricas que foram recentemente realizadas por essas três equipes de pesquisa diferentes. O seu artigo foi, portanto, um esforço conjunto das equipes, com o objetivo de unir os seus esforços de pesquisas independentes para lançar uma nova luz sobre a natureza do colapso gravitacional.
“Como primeira descoberta, relatamos que, apesar de todas as diferenças numéricas, os nossos códigos produzem resultados completamente consistentes para o colapso crítico das ondas gravitacionais”, disse Baumgarte. “Isso nos dá confiança de que essas descobertas estão corretas, e não artefatos numéricos. Fazer uma escolha adequada para a condição de fatiamento acaba sendo crucial: uma outra escolha muito comum, que tem sido bem-sucedida em muitas outras simulações da relatividade numérica, falha por neste caso, o que explica porque algumas tentativas anteriores de resolver este problema falharam.”
Notavelmente, nas suas três simulações numéricas independentes, os pesquisadores não encontraram nenhuma evidência que apoiasse a propriedade da universalidade. Em outras palavras, eles descobriram que iniciar o cálculo numérico com dados iniciais diferentes resultou em valores diferentes ao se aproximar da formação de um buraco negro.
“Nossas descobertas explicam outra peça do quebra-cabeça”, disse Baumgarte. “Alguns estudos anteriores relataram diferenças em relação aos resultados de Abrahams e Evans, que, portanto, pareciam conflitantes. No entanto, esses estudos também usaram dados iniciais diferentes. Uma discordância entre os resultados constitui, portanto, uma contradição apenas sob a suposição de universalidade – para a qual fazemos não vejo nenhuma evidência.”
Embora os pesquisadores não tenham encontrado nenhuma evidência de universalidade, eles encontraram evidências aproximadas de autossemelhança. Curiosamente, no entanto, ao contrário do observado no caso de colapso crítico na simetria esférica, a autossimilaridade que observaram não parecia ser exata.
Na década de 1990, Abrahams e Evans também relataram uma autossimilaridade não exata. Estes resultados recentes estão, portanto, alinhados com descobertas anteriores, sugerindo potencialmente que os desvios relatados de uma autossimilaridade exata poderiam estar ligados à ausência de uma simetria esférica.
O recente trabalho de Baumgarte e dos seus colegas poderá em breve abrir caminho para novos estudos numéricos e teóricos destinados a estudar e reformular o colapso crítico das ondas gravitacionais. Isto poderá aproximar os físicos da descoberta da natureza e dos mistérios deste intrigante fenômeno físico, conhecido por preceder a formação de buracos negros.
“Embora acreditemos que o nosso trabalho tenha resolvido várias questões em aberto no contexto do colapso crítico das ondas gravitacionais, permanecem várias questões de acompanhamento”, acrescentou Baumgarte. “Por exemplo, encontramos soluções aproximadamente semelhantes para algumas famílias de dados iniciais, mas não para outras, e a natureza da ‘solução limite’ para essas outras famílias permanecem obscuras.
“Também seria desejável realizar simulações com melhor ajuste fino para o início da formação de buracos negros (por exemplo, usando códigos numéricos com melhor resolução e/ou outras melhorias) para explorar se surge uma solução crítica universal para o ajuste fino que é melhor do que qualquer um conseguiu até agora.
“Finalmente, planejamos investigar o que causa os desvios de uma autossemelhança exata e determinar se esses desvios estão diretamente relacionados à ausência de simetria esférica.”
Traduzido por Mateus Lynniker de Phys.Org
