Pode haver uma maneira mais fácil de descrever como os buracos negros “vazam” energia do que a teoria proposta por Stephen Hawking – e o processo recentemente sugerido é semelhante ao modo como descrevemos uma panela de água fervente. Esta descrição simples (bem, relativamente simples) poderia ser usada para modelar buracos negros em muitas situações, tais como durante a sua formação, fusões com outros buracos negros, eventual evaporação e até morte explosiva.
Na década de 1970, o lendário físico teórico Stephen Hawking escreveu uma carta para a revista Nature intitulada “Explosões de buraco negro?“explicando como esses objetos podem vazar radiação térmica, evaporar e eventualmente implodir no final de suas vidas. Essa radiação acabou ficando conhecida como Radiação Hawking.
Mas em novas pesquisas, os cientistas sugeriram uma alternativa à radiação Hawking. Envolve descrever o aumento da desordem, ou entropia, dos buracos negros. A água fervente, por exemplo, também é frequentemente descrita com base no aumento da entropia. Para os buracos negros, esta medida de entropia está ligada a características como spin e energia, o que significa que pode ser usada para compreender como estes titãs cósmicos respondem a diferentes eventos.
“As leis de Hawking sobre a mecânica dos buracos negros forneceram uma conexão satisfatória entre a física extrema e a física comum e têm sido o paradigma há 50 anos, mas têm uma séria limitação”, disse o líder da equipe, Abhay Ashtekar, do Eberly College of Science da Penn State University. em uma declaração. “Foram formuladas para buracos negros em equilíbrio – ou imutáveis ao longo do tempo – mas os buracos negros estão em constante mudança; formam-se, fundem-se e eventualmente evaporam. Queríamos encontrar uma forma de ultrapassar esta limitação e estender as leis aos buracos negros que estão fora de equilíbrio.”
Buracos negros, Einstein e Hawking
Para investigar as origens dos buracos negros, é preciso voltar ao físico mais famoso da história (desculpe, Hawking, você é o número dois), Albert Einstein.
Em 1915, Einstein revelou sua teoria da gravidade, relatividade geral. Uma consequência das equações que sustentam essa teoria foi a possibilidade de uma singularidadeum ponto em que as equações da relatividade geral vão para o infinito. Isto representa o coração de um buraco negro.
Outra consequência das equações da relatividade geral é uma região do espaço em torno desta singularidade na qual a gravidade é tão extrema que a velocidade de escape da área aumenta para um valor maior que a velocidade da luz. Essa região é o limite externo do buraco negro que retém a luz, conhecido como horizonte de eventoso que nos impede de ver a singularidade no coração do buraco negro ou de receber informações dele. Na verdade, até o trabalho de Hawking em 1974, era por isso que se propunha que nada poderia escapar de um buraco negro.
“As leis da mecânica dos buracos negros vieram diretamente das equações de Einstein”, disse Daniel E. Paraizo, membro da equipe e estudante de graduação em física na Penn State. “Como não podemos ver dentro de um buraco negro, parecia que poderia haver um número infinito de maneiras de criar um buraco negro, tornando a sua entropia também infinita. Também se pensava que eles apenas absorviam energia e nunca irradiavam, por isso a sua temperatura era zero.”
No entanto, o advento da radiação Hawking mudou um pouco este paradigma. Ao sugerir que os buracos negros na verdade irradiam energia térmica, Hawking os redefiniu de tal forma que de repente o leis da termodinâmica poderia ser aplicado a buracos negros.
“Isso mudou o pensamento sobre as propriedades termodinâmicas dos buracos negros, de uma espécie de conceito matemático descrito por equações, para uma realidade mais física”, disse Paraizo. “Isso abriu a porta para encontrar analogias em buracos negros de entropia e temperatura usadas na termodinâmica.”
Na receita de Hawking para buracos negros, a área do horizonte de eventos é proporcional à sua temperatura e entropia, e é inversamente proporcional à sua massa e rotação.
“No entanto, há um problema”, disse Jonathan Shu, membro da equipe, também da Penn State, no comunicado. “Estas analogias só funcionam realmente para um buraco negro que está em equilíbrio. Em situações dinâmicas, os horizontes de eventos podem formar-se e crescer no que chamamos de regiões planas do espaço-tempo, onde nada acontece.”
Shu acrescentou que uma consequência disto é que as propriedades dos buracos negros não podem ser determinadas apenas pela física local do buraco negro. Em vez disso, a determinação das propriedades dos buracos negros depende da previsão de eventos que podem ou não acontecer no futuro.
“Portanto, a área dos horizontes de eventos não pode ser uma medida da entropia física dos buracos negros dinâmicos”, argumenta Shu. “Se quisermos compreender os buracos negros que estão a crescer, a evaporar-se e a fundir-se, precisamos de uma alternativa viável.”
Para a equipe, isso significou substituir o horizonte de eventos de um buraco negro por algo que eles chamam de “horizonte dinâmico”, já usado quando os cientistas simulam buracos negros. Agora, a primeira lei da termodinâmica – que afirma que a energia de um sistema fechado não pode ser criada ou destruída, mas apenas pode mudar de forma – pode ser aplicada aos buracos negros mesmo quando estes estão envolvidos em actos dinâmicos. Isso também significa que os buracos negros estão sujeitos à segunda lei da termodinâmicaque afirma que a entropia total de um sistema isolado sempre aumentará com o tempo, durante seu nascimento, fusão e morte.
“Isso nos permite estender a primeira e a segunda leis da termodinâmica aos buracos negros que não estão em equilíbrio, superando assim as limitações do paradigma que tem sido usado há mais de meio século”, disse Ashtekar. “Podemos aplicar essas leis generalizadas para entender melhor os buracos negros em evaporação na teoria quântica e nas fusões de buracos negros.”
A pesquisa da equipe foi publicada em junho na revista Cartas de revisão física.
