Continuação da contribuição para esse blog de Heraldo Henrique Felix de Moraes, sobre hipóteses relacionadas ao comportamento de buracos negros e conceitos relacionados.
Planck Stars: Quantum Gravity Research Ventures Beyond the Event Horizon. Astrophysics Faculty Article Dec 16, 2016 - www.resonancescience.org
Dando continuidade ao tema “estrelas de Planck”, podemos dizer que, embora ainda não tenhamos uma teoria completa da gravidade quântica, já sabemos algumas coisas. Uma é que os buracos negros não devem ser eternos. Por causa das flutuações quânticas próximas ao horizonte de eventos de um buraco negro, um buraco negro emitiria a chamada “radiação Hawking”. Como resultado, um buraco negro perderia massa gradualmente à medida que se irradia. A quantidade de radiação Hawking que ele emitiria é inversamente proporcional ao seu tamanho, portanto, à medida que o buraco negro fica menor, ele emitiria mais e mais radiação Hawking até que finalmente irradiar completamente para fora.
A visão convencional de um buraco negro é que ele é composto por dois componentes principais: a singularidade e o horizonte de eventos. Todo o resto são apenas detalhes. O horizonte de eventos é a distância até a singularidade onde as forças gravitacionais são tão fortes que nem mesmo a luz consegue escapar. A singularidade é um ponto infinitamente denso onde toda a matéria do buraco negro está concentrada. No entanto, com a singularidade, assumimos que não existe uma estrutura quântica que possa competir com as forças internas criadas pela gravidade.
Como, em teoria, os buracos negros não são eternos, isso levou Stephen Hawking e outros a propor que os buracos negros não têm um horizonte de eventos, mas sim um horizonte aparente.
Em janeiro de 2014, o astro da física, o britânico Stephen Hawking publicou um pequeno artigo declarando que "não há buracos negros". Claro, Hawking não estava dizendo que os buracos negros não existiam, mas que a física do horizonte de eventos de um buraco negro precisava de alguns ajustes.
A raiz desse problema pode ser encontrada em uma publicação de pesquisa de 2012 por Joseph Polchinski e sua equipe da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara. Ao lidar com o espinhoso problema de saber se os buracos negros destroem ou não informações, eles descobriram que se os buracos negros realmente não destruírem as informações (um ponto de vista que o próprio Hawking defendia com relutância) e essa informação vier a poder escapar do buraco negro em evaporação por meio da radiação Hawking, deve haver ser um inferno furioso, dentro do horizonte de eventos, o chamado "firewall".
E aqui reside um paradoxo. Se virmos um buraco negro como um objeto governado pela relatividade geral, no caso de um infeliz astronauta que for em direção ao horizonte de eventos, ele não deverá experimentar nada fora do comum ("nenhum drama"); ele ou ela irá apenas vagar pelo buraco negro, onde, eventualmente, as intensas forças das marés os "espaguetificarão" de maneira horripilante. Mas se virmos os buracos negros como objetos governados pela mecânica quântica, e eles conservarem informações, esse astronauta será imediatamente incinerado pelo firewall de Polchinski (a antítese para o "nenhum drama").
As duas teorias são sintomáticas de nossa crescente inquietação com a compatibilidade da relatividade geral e da mecânica quântica, e os buracos negros se tornaram a linha de frente dessa batalha.
Hawking, portanto, apresentou uma solução possível (que não foi publicada) em outubro de 2014: talvez o horizonte de eventos do buraco negro não seja a fronteira definitiva que os físicos teóricos pensam que é. Talvez o horizonte de eventos deva ser substituído por um "horizonte aparente", uma consequência da confusão caótica de informações dentro do horizonte de eventos.
Quando se atinge uma certa densidade, como por exemplo concentrando toda a massa do Sol em um único átomo, os efeitos quânticos da gravidade geram uma força repulsiva que se opõe à contração. O resultado é um núcleo extremamente denso, chamado de "estrela de Planck" (no que detalhei bem no último artigo).
Essa interpretação inovadora põe fim ao paradoxo da informação quântica, já que a matéria não mais desapareceria: tudo que entra no buraco negro sairia. Com isso, nos permitiria contornar o problema da densidade infinita encontrada na teoria clássica da Relatividade Geral. A solução, em teoria, parece perfeita.
Uma estrela massiva explodindo em uma supernova, é assim que surge um buraco negro estelar, porém, e se o material superdenso que formou o buraco negro na verdade não formar uma "singularidade"? Claro, o material ainda seria inimaginavelmente denso, mas o objeto no centro do buraco negro ainda teria uma estrutura. A força da gravidade para dentro do buraco negro é neutralizada pela estrutura quântica da densidade de Planck.
Todo o material que já caiu ou que irá cair em um buraco negro é comprimido em uma esfera não muito maior do que o comprimento de Planck. Perfeitamente microscópico, mas que definitivamente não é infinitamente pequeno.
É também uma reminiscência das teorias modernas do "grande salto", segundo as quais o Universo encadeava fases de contração e expansão. Nesse referencial teórico, o Big Bang não seria mais apenas uma grande explosão que deu origem ao nosso Universo, mas o rebote que ocorreu quando a fase de contração atingiu uma densidade crítica.
Essa fragmentação teórica do espaço-tempo oferece dois benefícios. Um, leva o sonho da mecânica quântica à sua conclusão final, explicando a gravidade de uma forma natural, e tornando assim impossível a formação de uma singularidade no interior de um buraco negro.
A teoria das estrelas de Planck ainda apresenta uma característica extremamente atraente: poderá ser comparada em observações. Em artigo postado online no final de abril de 2014, no arXiv, e submetido ao comitê de um periódico de referência, Aurélien Barrau, pesquisador do laboratório de física subatômica e cosmologia de Grenoble (CNRS-IN2P3), estuda as consequências fenomenológicas de uma possível explosão de um buraco negro.
“Isso causaria, em particular, uma emissão muito significativa de raios gama em um período de tempo relativamente curto”, explica ele ao site francês Le Figaro. Se elas existirem, as explosões de buracos negros devem ser bastante comuns em nosso ambiente imediato. Poderíamos ver até uma por dia.” Já foram observadas curtas explosões de raios gama de origem desconhecida. É impossível dizer que se trata de "buracos brancos", mas a hipótese é suficientemente crível para ser examinada. Essa seria uma maneira inteligente de confirmar experimentalmente a existência da gravidade quântica, sendo um grande feito, já que tal teoria nunca foi alcançada e que muitos físicos ainda consideram impossível.
Só para ficar claro, como dito no artigo anterior, isso ainda é bastante especulativo. Até agora, não há nenhuma evidência observacional de que uma estrela de Planck exista. É, no entanto, uma solução interessante para o lado paradoxal dos buracos negros.
Outra tentativa de erradicar a singularidade - que não depende de teorias não testadas da gravidade quântica - é conhecida como gravastar.
A diferença entre um buraco negro e um gravastar é que, em vez de uma singularidade, o gravastar é preenchido com energia escura. A energia escura é uma substância que permeia o espaço-tempo, fazendo com que se o Universo se expanda. Parece ficção científica, mas é real: a energia escura está atualmente em operação no cosmos, fazendo com que todo o nosso universo acelere sua expansão.
Conforme a matéria cai em um gravastar, ela não consegue realmente penetrar no horizonte de eventos (devido a toda aquela energia escura no interior) e, portanto, ficando apenas na superfície. Mas fora dessa “superfície”, os gravastares parecem e agem como buracos negros normais.
No entanto, observações recentes de fusões de buracos negros por meio de detectores de ondas gravitacionais têm potencialmente descartado a existência de gravastares, porque a fusão de gravastares daria um sinal diferente do que a fusão de buracos negros, e equipamentos como LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, em português Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser) e o Virgo estariam obtendo mais e mais exemplos de fusões de gravastares a cada dia. Embora os gravastares não sejam exatamente proibidos em nosso universo, eles estão definitivamente apenas em nossas teorias.
As estrelas de Planck e os gravastares podem ter nomes impressionantes, mas a realidade de sua existência está em dúvida. Portanto, talvez haja uma explicação mais mundana para as singularidades, baseada em uma visão mais matizada - e realista – sobre os buracos negros em nosso universo.
A ideia de um único ponto de densidade infinita vem de nossa concepção de buracos negros estacionários, que não tem rotação e nem carga elétrica.
A rotação de um buraco negro estenderia a singularidade, fazendo que a singularidade ficasse com um formato de anel. E de acordo com a matemática da teoria da relatividade geral de Einstein (que é a única matemática que temos ainda), uma vez que você passa pela singularidade em forma de anel, você entra em um buraco de minhoca e sai por um buraco branco (o oposto de um buraco negro, onde nada pode entrar e a matéria sai à velocidade da luz) para um pedaço inteiramente novo e excitante do universo.
Um desafio: os interiores dos buracos negros em rotação são catastroficamente instáveis. E isso está de acordo com a mesma matemática que leva à previsão de uma hipotética viagem para um novo universo.
O problema com os buracos negros em rotação é que ... bem, eles giram. A singularidade, esticada em formato de anel, está girando em um ritmo tão alto que teria uma força centrífuga realmente incrível. E na relatividade geral, forças centrífugas fortes o suficiente agem como uma espécie de “antigravidade”: ela empurra, ao invés de puxar.
Isso cria um limite dentro do buraco negro, chamado de horizonte interno. Fora dessa região, a radiação está caindo para dentro em direção à singularidade, atraída pela extrema atração gravitacional do buraco negro. Porém, a radiação é empurrada pela antigravidade para perto da singularidade em forma de anel, e o ponto de inflexão seria o horizonte interno. Se, por exemplo, você fosse ao encontro do horizonte interno, você enfrentaria uma parede de radiação infinitamente energética - toda a história passada do universo, explodindo em seu rosto em menos de um piscar de olhos.
A formação de um horizonte interno lança as sementes para a possível destruição de um buraco negro. Buracos negros rotativos certamente devem existir em nosso universo, o que nos diz que nossa matemática atual está errada e que algo estranho está acontecendo ao nosso redor.
Estrelas de Planck produziriam um sinal detectável, de origem gravitacional quântica, com um comprimento de onda em torno de 10-14 cm. Este sinal pode se corporificar em raios cósmicos de energias na faixa de GeV, um sinal que poderia ser facilmente detectado por observatórios de raios gama.
A detecção de explosões individuais de estrelas de Planck não é impossível, a gravidade quântica poderia aparecer na faixa das dezenas de MeV. Várias aproximações sobre a dinâmica da evaporação podem ainda ser melhoradas. Os detalhes da explosão de uma estrela de Planck ainda precisam ser melhor investigados. A forma do sinal integrado difuso e, mais especificamente, sua assinatura específica potencial que permite distingui-lo dos buracos negros primordiais padrão, requer uma análise numérica completa. Também pode ser interessante investigar a emissão de artigos carregados, em particular pósitrons e antiprótons (alguns efeitos de limiar interessantes podem ser esperados). Como é bem conhecido, um horizonte muito menor pode ser compensado pelo grande efeito do confinamento galáctico.
O que realmente está acontecendo dentro de um buraco negro? Não sabemos - e a parte assustadora é que talvez nunca saibamos.
Fontes
Ian O'Neill. Could Black Holes Give Birth to 'Planck Stars'? 2/11/2014 - www.seeker.com
What Are Planck Stars? How Do They Differ From Black Holes? - futurism.com
Aurélien Barrau, Carlo Rovelli. Planck star phenomenology. Physics Letters B, Volume 739, 2014, Pages 405-409, ISSN 0370-2693 - www.sciencedirect.com
C Rovelli, F Vidotto - International Journal of Modern Physics D, 2014 - World Scientific - arxiv.org
Tristan Vey. Et si les trous noirs finissaient par exploser ? 22/07/2014 - www.lefigaro.fr
BRIAN KOBERLEIN. Planck “Star” to Arise From Black Holes? FEBRUARY 10, 2014. - www.universetoday.com
Paul Sutter. What happens at the center of a black hole? October 27, 2020 - www.space.com
Sobre gravastars e firewalls, recomendamos:
Diálogos com Antonio Miranda sobre estrelas de Plank - Scientia est Potentia
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