Novas pesquisas sobre buracos negros apontam para a gravidade como um fluido

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Artigo traduzido de: Daily Galaxy

A sabedoria aceita entre os pesquisadores gravitacionais tem sido de que o espaço-tempo não pode se tornar turbulento. Uma nova pesquisa da Perimeter Faculty, no entanto, mostra que a sabedoria aceita pode estar errada. A gravidade, pensa-se, pode se comportar como um fluido. Um dos comportamentos característicos dos fluidos é a turbulência – isto é, sob certas condições, eles não se movem suavemente, mas são turbulentos e em redemoinhos.

O membro da Perimeter Faculty Luis Lehner, explica por que pode fazer sentido tratar a gravidade como um fluido. “Há uma conjectura em física – a conjectura holográfica – que diz que a gravidade pode ser descrita como uma teoria de campo”, diz ele. “E nós também sabemos que em altas energias, teorias de campo podem ser descritas com as ferramentas matemáticas que usamos para descrever líquidos. Portanto, é uma dança de duas etapas: a gravidade é igual a teoria de campo, e teoria de campo é igual a de fluidos, assim a gravidade é igual a campos fluidos. Isso se chama dualidade gravidade/fluidos “.

A dualidade de gravidade/fluidos não é um trabalho novo – tem sido desenvolvido ao longo dos últimos seis anos. Mas escondido no coração disso está uma tensão. Se a gravidade pode ser tratada como um fluido, então o que dizer da turbulência?

“Por muitos anos, o folclore entre os físicos é que a gravidade não podia ser turbulenta”, observa Lehner. A crença era de que a gravidade seria descrita por um conjunto de equações que são suficientemente diferentes de equações dinâmicas de fluidos, de modo que não haveria turbulência sob quaisquer circunstâncias.

Lehner destaca o paradoxo emergente: “Ou havia um problema com a dualidade e a gravidade realmente não poderia ser totalmente capturada por uma descrição de fluidos, ou houve um fenômeno novo na gravidade e a gravidade turbulenta realmente poderia existir.” Uma equipe de pesquisadores – Lehner, Huan Yang (Perimeter Faculty e do Instituto de Computação Quântica) e Aaron Zimmerman (Instituto Canadense para a Astrofísica Teórica) – se propôs a descobrir qual.

Eles tiveram dicas sobre que direção seguir. Simulações anteriores na Perimeter, e um trabalho independente fora do MIT, tinha sugerido que poderia haver turbulência em torno do caso não realista de buracos negros confinados no espaço Anti-de Sitter. “Pode haver turbulência se você limitar a gravidade em uma caixa, essencialmente”, diz Lehner. “A questão mais profunda é se isso pode acontecer em uma situação real”.

A equipe decidiu estudar buracos negros de giro rápido, porque a descrição da fluido-dinâmica de tais buracos sugere que o espaço-tempo ao seu redor é menos viscoso do que o espaço-tempo em torno de outros tipos de buracos negros. A baixa viscosidade aumenta a chance de turbulência – pense na forma como a água é mais “maleável” que o melaço.

A equipe também decidiu estudar perturbações não-lineares dos buracos negros. Sistemas gravitacionais são raramente analisados neste nível de detalhes, pois as equações são diabolicamente complexas. Mas, sabendo que a turbulência é fundamentalmente não-linear, a equipe decidiu fazer uma análise de perturbação não-linear, exatamente o que foram chamados para fazer.

Eles ficaram surpresos quando a análise mostrou que o espaço-tempo se tornou turbulento.

“Fiquei muito surpreso”, disse Yang, que vem estudando a relatividade geral – teoria da gravidade de Einstein – desde o seu doutoramento. “Eu nunca acreditei em comportamento turbulento na relatividade geral, e por boas razões. Ninguém nunca tinha visto em simulações numéricas, mesmo de coisas dramáticas como buracos negros binários”.

“Ao longo dos últimos anos, passamos de uma séria dúvida sobre se a gravidade nunca poderia ser turbulenta, a muito alta confiança de que ela pode”, diz Lehner.

Como é que este comportamento se escondeu até agora? “Ele estava escondido porque a análise necessária para vê-lo estava nas ordens não-lineares”, diz Yang. “As pessoas não têm motivação suficiente para fazer um estudo não-linear. Mas, desta vez, nós sabíamos o que estávamos procurando. Isso nos deu a motivação para fazer um estudo mais aprofundado. Tivemos um alvo e o atingimos”.

Este é um trabalho teórico, mas que pode não ficar assim. A próxima geração de detectores a começarem a operar podem em breve ser capazes de detectar ondas gravitacionais – ondulações no “fluido” gravitacional que resultam de grandes eventos como a colisão de dois buracos negros. Se a gravitação pode ser turbulenta, então essas ondulações podem ser um pouco diferentes do que os modelos anteriores sugerem. Saber essas diferenças pode fazer com que as ondas gravitacionais sejam mais fáceis de detectar. E, é claro, na verdade detectar essas diferenças seria uma evidência direta da turbulência gravitacional.

“Há potenciais consequências observacionais desta descoberta”, diz Lehner. “LIGO, LISA ou algum futuro experimento de ondas gravitacionais pode ser capaz de detectá-los”.

Mas uma das consequências mais interessantes desta pesquisa não diz respeito à gravidade, mas a comum turbulência Terra-bound. De furacões ao creme misturado no café, do impossível voo da abelha aos vórtices que cortam fora da extremidade das asas de avião, a turbulência é tudo o que nos rodeia. No entanto, nós não a entendemos completamente. É considerado um dos maiores problemas não resolvidos da física clássica.

Esta pesquisa reforça a ideia de que a gravidade pode ser tratada como um fluido – o que também significa que os líquidos podem ser tratados gravitacionalmente.

“Nós temos estado empacados por mais de 500 anos em alcançar um entendimento completo sobre a turbulência”, diz Lehner. “Esta correspondência gravidade/fluido nos diz que há uma maneira de usar ferramentas gravitacionais e intuição gravitacional para termos um novo olhar sobre a turbulência. Podemos continuar empacados como estamos em nossa abordagem padrão, ou podemos acabar derramando uma luz completamente nova, que vai ajudar o campo a seguir em frente. É muito emocionante”.

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