Eureca! Cientistas exploram mistérios de buracos negros com oi

Pesquisadores da Universidade de Nottingham estão simulando buracos negros com um pequeno vórtice dentro de uma redoma de hélio superfluido

No final de um corredor indefinido na Universidade de Nottingham há uma porta rotulada simplesmente: Black Hole Laboratory. Lá dentro, um experimento está em andamento em uma grande banheira de alta tecnologia que poderia oferecer uma visão única das leis da física que governam a coisa real.

O laboratório é dirigido pelo professor Silke Weinfurtner, um pioneiro no campo da gravidade analógica, cujo trabalho demonstrou paralelos misteriosos entre a matemática que descreve os sistemas fluidos na Terra e alguns dos ambientes mais extremos e inacessíveis do universo.

“É fácil ficar intimidado quando pensamos em buracos negros. Todos os efeitos previstos para ocorrer em torno dos buracos negros parecem tão bizarros, tão estranhos, tão diferentes”, diz ela. “Então ajuda lembrar: 'Espere um segundo, isso acontece na minha banheira. Talvez não seja tão estranho, afinal.'”

Anteriormente, a equipe de Weinfurtner usou a configuração da banheira para investigar a radiação Hawking, um processo pelo qual se prevê que os buracos negros “evaporem” e eventualmente desapareçam. Ela e os seus colegas estão agora a trabalhar num simulador mais avançado, que acreditam que irá fornecer informações ainda mais sofisticadas sobre o comportamento dos buracos negros.

“Todos esses efeitos são tremendamente belos e de fundamental importância”, diz ela. “Por exemplo, um buraco negro evapora ou simplesmente permanecerá lá por toda a eternidade?”

A ideia básica é que o fluxo de fluido por um ralo imita, num sentido matemático, a curvatura do próprio espaço-tempo pelo campo gravitacional extremo de um buraco negro.

“A física se repete em muitos lugares. É um conjunto de modelos matemáticos muito universais. E se a matemática é a mesma, a física deveria ser a mesma”, diz Weinfurtner. “Para mim, os análogos são uma dádiva da natureza. Existe toda uma classe de sistemas que possuem os mesmos processos físicos.”

Weinfurtner acredita que os paralelos entre as duas situações podem ser explorados para explorar o que acontece quando os campos gravitacionais e os campos quânticos interagem. Esta tem sido sem dúvida a questão central da física no século passado. As teorias gravitacional e quântica funcionam bem individualmente – e isto é muitas vezes suficiente para descrever o mundo que nos rodeia porque em grandes escalas a gravidade tende a dominar, enquanto em escalas atómicas os efeitos quânticos dominam.

Mas nos buracos negros, onde muita massa está comprimida numa região muito pequena do espaço, estes mundos colidem e não existe um quadro teórico que unifique os dois.

“Temos uma grande compreensão de ambas individualmente, mas é extremamente difícil combinar estas duas teorias”, diz Weinfurtner. “A ideia é que queiramos entender como a física quântica se comporta, no que chamamos de geometria curva do espaço-tempo.”

Na nova configuração, o buraco negro é representado por um pequeno vórtice dentro de uma redoma de hélio superfluido, resfriado a -271°C. A esta temperatura, o hélio começa a demonstrar efeitos quânticos. Ao contrário da água, que pode girar em uma faixa contínua de velocidades, o vórtice de hélio só pode girar em determinados valores fixos. As ondulações enviadas através da superfície do hélio, rastreadas com precisão nanométrica por lasers e uma câmera de alta resolução, representam a radiação que se aproxima de um buraco negro.

Weinfurtner está planejando usar a configuração para investigar um fenômeno conhecido como superradiância, uma previsão aparentemente paradoxal de que a radiação que chega nas proximidades de um buraco negro (sem se desviar do horizonte de eventos) pode ser desviada com mais energia do que tinha no Através deste processo, a energia pode ser extraída de um buraco negro, fazendo com que sua rotação diminua gradualmente.

Este fenômeno foi previsto teoricamente, mas nunca observado. E é possível, diz Weinfurtner, que um buraco negro em rotação possa exibir efeitos quânticos semelhantes aos observados no hélio superfluido.

O simulador também poderia ser usado para fazer previsões sobre a radiação Hawking e sinais de ondas gravitacionais enviados através do universo a partir da fusão de buracos negros que podem ser detectados pelo detector de ondas gravitacionais LIGO.