Ondas gravitacionais confirmam lei dos buracos negros prevista por Stephen Hawking

A "lei da área" diz que a área da superfície de um buraco negro não pode diminuir com o tempo.

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Ondas gravitacionais de dois buracos negros em fusão (mostrados em uma simulação), detectados em 2015, revelaram que a área total da superfície dos buracos negros não diminui quando eles se fundem. Crédito: Simulating Extreme Spacetimes Project.

Por Emily Conover
Publicado na Science News

Apesar de sua natureza misteriosa, acredita-se que os buracos negros sigam certas regras simples. Agora, uma das mais famosas leis dos buracos negros, prevista pelo físico Stephen Hawking, foi confirmada através de ondas gravitacionais.

De acordo com o teorema da área do buraco negro, desenvolvido por Hawking no início dos anos 1970, os buracos negros não podem diminuir sua área de superfície com o tempo. O teorema da área fascina os físicos porque reflete uma regra da física bem conhecida de que a desordem, ou entropia, não pode diminuir com o tempo. Em vez disso, a entropia aumenta consistentemente.

Essa é “uma pista empolgante de que as áreas dos buracos negros são algo fundamental e importante”, disse o astrofísico Will Farr, da Universidade Stony Brook em Nova York e do Flatiron Institute na cidade de Nova York (EUA).

A área da superfície de um buraco negro solitário não mudará – afinal, nada pode escapar de seu interior. No entanto, se você jogar algo em um buraco negro, ele ganhará mais massa, aumentando sua área de superfície. Mas o objeto que chega também pode fazer o buraco negro girar, o que diminui a área da superfície. A lei da área diz que o aumento na área de superfície devido à massa adicional sempre superará a diminuição na área de superfície devido ao giro adicionado.

Para testar esta regra da área, o astrofísico do MIT Maximiliano Isi, Farr e outros usaram ondulações no espaço-tempo provocadas por dois buracos negros que espiralaram um em direção ao outro e se fundiram em um buraco negro maior. A área da superfície de um buraco negro é definida por seu horizonte de eventos – o limite de dentro do qual é impossível escapar. De acordo com o teorema da área, a área do horizonte de eventos do buraco negro recém-formado deve ser pelo menos tão grande quanto as áreas dos horizontes de eventos dos dois buracos negros originais combinados.

A equipe analisou dados das primeiras ondas gravitacionais já detectadas, que foram captadas pelo Observatório de Ondas Gravitacionais de Interferômetro a Laser Avançado, o LIGO, em 2015. Os pesquisadores dividiram os dados das ondas gravitacionais em dois segmentos de tempo, antes e depois da fusão, e calcularam as áreas da superfície dos buracos negros em cada período. A área de superfície do buraco negro recém-formado era maior do que a dos dois buracos negros iniciais combinados, sustentando a lei da área com um nível de confiança de 95 por cento, relatou a equipe em um estudo que será publicado na Physical Review Letters.

“É a primeira vez que podemos inferir nisso”, disse Isi.

O teorema da área é resultado da teoria da relatividade geral, que descreve a física dos buracos negros e ondas gravitacionais. Análises anteriores de ondas gravitacionais concordaram com as previsões da relatividade geral e, portanto, já sugeriram que a lei da área não pode ser totalmente errada. Mas o novo estudo “é uma confirmação mais explícita” da lei da área, disse a física Cecilia Chirenti, da Universidade de Maryland em College Park (EUA), que não esteve envolvida na pesquisa.

Até agora, a relatividade geral descreve bem os buracos negros. Mas os cientistas não entendem completamente o que acontece nos limites onde a relatividade geral – que normalmente se aplica a objetos grandes como buracos negros – encontra a mecânica quântica, que descreve pequenas coisas como átomos e partículas subatômicas. Nesse reino quântico, coisas estranhas podem acontecer.

Por exemplo, os buracos negros podem liberar uma névoa tênue de partículas chamada radiação Hawking, outra ideia desenvolvida por Hawking na década de 1970. Esse efeito poderia permitir que os buracos negros encolhessem, violando a lei da área, mas apenas por períodos extremamente longos de tempo, então não teria afetado a fusão relativamente rápida de buracos negros que o LIGO detectou.

Os físicos estão procurando por uma teoria melhor que combine as duas disciplinas em uma teoria nova e aprimorada da gravidade quântica. Qualquer falha dos buracos negros em obedecer às regras da relatividade geral poderia apontar os físicos na direção certa para encontrar essa nova teoria.

Portanto, os físicos tendem a ficar mal-humorados com o sucesso duradouro da relatividade geral, disse Farr. “Nós pensamos, ‘ah, ela estava certa de novo’”.