Buracos negros são regiões no espaço caracterizadas por campos gravitacionais tão intensos que nenhuma matéria ou radiação pode escapar deles. São soluções para as equações de campo de Einstein, com um ponto de densidade infinita não física em seu centro.
Com base na teoria clássica da relatividade geral, toda a matéria que formou um buraco negro acaba no seu centro. Essa previsão específica é conhecida como o “problema da singularidade”.
Em um de seus trabalhos seminais, Stephen Hawking mostrou que os buracos negros irradiam energia e desaparecem lentamente. No entanto, seu trabalho sugere que a radiação emitida pelos buracos negros não contém todas as informações sobre a matéria que entrou em sua formação. Em astrofísica, isso é chamado de “problema de perda de informação”.
Pesquisadores da Universidade de New Brunswick, no Canadá, desenvolveram recentemente um modelo teórico que abordaria efetivamente tanto o problema da singularidade quanto o problema da perda de informação, além de esclarecer mais sobre como a matéria colapsa para formar buracos negros. O modelo que eles criaram, apresentado em um artigo publicado na Physical Review Letters, oferece uma perspectiva alternativa sobre a formação e evolução dos buracos negros do que a proposta pelas teorias clássicas.
“A questão do destino de um buraco negro e o que acontece com a matéria (ou informação) que o formou é um problema em aberto há cinquenta anos”, Viqar Husain Jarod George Kelly, Robert Santacruz e Edward Wilson-Ewing, os pesquisadores que realizou o estudo, disse ao Phys.org, por e-mail. “Acredita-se amplamente que uma teoria da gravidade quântica é necessária para resolver esse problema. Sabemos muito sobre como a matéria em colapso forma buracos negros na relatividade geral, mas a questão de como o colapso ocorre na gravidade quântica também é um problema em aberto.”
O objetivo principal do trabalho recente de Husain e seus colegas foi apresentar um modelo que abordasse precisamente o problema da singularidade e o colapso gravitacional ao mesmo tempo. Para fazer isso, eles usaram uma construção de gravidade quântica em loop para incorporar a discrição fundamental do espaço em equações clássicas que descrevem o colapso gravitacional.
“Estudamos o problema usando poeira simples que não exerce pressão porque esse é o tipo mais simples de matéria; seu movimento é descrito por uma equação gerenciável que pode ser resolvida em um laptop”, explicou Husain. “Esta equação é uma versão modificada das equações clássicas de Einstein, que incorpora a discrição fundamental do espaço no nível microscópico.”
O método numérico que os pesquisadores usaram em seu estudo foi desenvolvido por Sergei K. Godunov, um renomado cientista russo que estava realizando pesquisas teóricas com foco em problemas de fluxo de fluidos. Notavelmente, esse método pode lidar com a formação de ondas de choque, o fenômeno físico que ocorre quando um objeto se move em velocidades supersônicas e empurra o ar circundante (por exemplo, quando um jato rompe a barreira do som).
“Acompanhamos a evolução de uma nuvem de partículas de poeira em colapso até formar um buraco negro”, disseram Husain, Kelly, Santacruz e Wilson-Ewing. “O método numérico nos permitiu acompanhar a evolução da matéria mesmo dentro da região do buraco negro até o ponto onde a singularidade estaria na solução clássica.”
A equação corrigida pela gravidade quântica introduzida por Husain e seus colegas resolve o problema da singularidade de forma mais dinâmica do que os modelos clássicos. Mais especificamente, sugere que a matéria cai no centro do buraco negro, atinge uma densidade grande, mas finita, e depois retorna, formando uma onda de choque.
“Os efeitos da gravidade quântica são importantes na onda de choque e permitem que ela se mova para dentro do buraco negro, o que não é possível ao usar equações clássicas”, disseram os pesquisadores. “Ao mesmo tempo, a curvatura do espaço-tempo aumenta, mas nunca diverge (como acontece na teoria clássica).”
Usando a ferramenta numérica introduzida por Godunov, os pesquisadores também conseguiram calcular o tempo de vida de um buraco negro, desde sua formação até seu desaparecimento, quando uma onda de choque emerge de seu horizonte e os horizontes começam a desaparecer. Curiosamente, o tempo de vida do buraco negro que eles calcularam é muito menor do que o tempo de evaporação previsto por Hawking. Isso sugere que seu modelo poderia ajudar a resolver o problema de perda de informações, mas mais estudos precisarão ser realizados para confirmar isso.
Além disso, a equação delineada por Husain e seus colegas introduz a produção de ondas de choque no desenvolvimento de buracos negros. No futuro, isso poderia levar os astrônomos a avaliar a possibilidade de detectar as ondas de choque emanadas de buracos negros.
“Se isso for possível, nossos resultados podem fornecer uma explicação pronta, mas isso também requer uma exploração mais cuidadosa”, acrescentaram os pesquisadores. “Em nossos próximos estudos, gostaríamos de tentar estabelecer se o problema de perda de informação é realmente resolvido, estudar outros tipos de matéria que exercem pressão e outros tipos de nuvens de matéria, para ver se nosso resultado de onda de choque permanece qualitativamente inalterado. Se for esse o caso, as ondas de choque podem ser uma assinatura universal que marca a morte de um buraco negro.”
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