Um processo teórico de 50 anos para extrair energia de um buraco negro rotativo finalmente tem verificação experimental.

Usando um análogo dos componentes necessários, os físicos mostraram que o processo Penrose é realmente um mecanismo plausível para consumir parte dessa energia rotacional – se pudéssemos desenvolver os meios.

Isso não é provável, mas o trabalho mostra que idéias teóricas peculiares podem ser brilhantemente usadas para explorar as propriedades físicas de alguns dos objetos mais extremos do Universo.

Os buracos negros são selvagens – o estágio final do ciclo de vida de uma estrela tão maciça que, uma vez supernova, o núcleo não consegue mais suportar sua própria gravidade e desmorona totalmente em uma singularidade – um único ponto unidimensional de densidade infinita.

Essa singularidade fica dentro de uma região chamada horizonte de eventos – o ponto em que a gravidade ao redor do buraco negro é tão forte que nem a velocidade da luz é suficiente para atingir a velocidade de escape. E fora do horizonte de eventos, uma região estendida do espaço-tempo é distorcida à medida que é arrastada junto com a rotação do buraco negro, um efeito chamado de arrastamento de quadros.

É aqui que entra o processo de Penrose. Em 1969, o físico matemático Roger Penrose propôs que uma região fora do horizonte de eventos chamada ergosfera, onde o arrastamento de quadros é mais forte, pudesse ser explorada para extrair energia.

Segundo os cálculos de Penrose, se um objeto lançado na ergosfera se dividisse em dois, uma parte seria lançada além do horizonte de eventos.

O outro, no entanto, seria acelerado para o exterior, com um chute adicional do buraco negro. Se tudo desse certo, sairia da ergosfera com cerca de 21% mais energia do que entrava.

Agora, não podemos simplesmente passar por um buraco negro para testar isso. Mas em 1971, o físico soviético Yakov Zel’dovich propôs um experimento mais prático. Você poderia substituir o buraco negro por um cilindro de metal rotativo e disparar raios de luz torcidos nele. Se o cilindro estivesse girando na velocidade certa, a luz seria refletida de volta com energia extra extraída da rotação do cilindro, devido a uma peculiaridade em algo chamado efeito Doppler rotacional.

Se você é um leitor comum, já deve estar familiarizado com o referido efeito: ele pode ser visto quando uma fonte rotativa emite ondas, que diminuem e aumentam dependendo da direção da rotação. As ondas do lado que estão girando em sua direção parecem diminuir; as ondas do lado que está girando parecem aumentar. É assim que os astrônomos podem medir as rotações de estrelas e galáxias.

Havia apenas um problema na proposta de Zel’dovich. A velocidade do cilindro rotativo precisaria ser de pelo menos 1 bilhão de rotações por segundo – lembre-se, ainda há muito espaço para impraticabilidade em “mais prático que um buraco negro”.

Então, aí ficou a questão – até que uma equipe de físicos da Escola de Física e Astronomia da Universidade de Glasgow, na Escócia, apareceu. Eles criaram um experimento baseado no trabalho de Zel’dovich – mas em vez de usar ondas de luz, eles usaram ondas de som.

O experimento. (Cromb et al., Nature Physics, 2020)

O experimento consistiu em um anel de alto-falantes configurado para introduzir uma torção nas ondas sonoras, análoga à luz distorcida no experimento de Zel’dovich. O ‘buraco negro’ era um absorvedor de som rotativo feito de um disco de espuma, cuja rotação aceleraria à medida que as ondas sonoras o atingissem. Uma série de microfones do outro lado do disco detectaria as ondas sonoras depois de passarem pelo disco.

A pistola de fumaça que verificaria o processo de Penrose era uma mudança no tom e na amplitude das ondas sonoras que passavam pelo disco.

“As ondas sonoras distorcidas mudam de tom quando medidas do ponto de vista da superfície rotativa”, explicou o físico e astrônomo Marion Cromb, da Universidade de Glasgow, principal autor do artigo.

“Se a superfície gira rápido o suficiente, a frequência do som pode fazer algo muito estranho – pode passar de uma frequência positiva para uma negativa e, ao fazer isso, rouba energia da rotação da superfície”.

Os resultados foram surpreendentes. À medida que a rotação do disco se acelerava, o tom do som atingindo os microfones diminuía até ficar inaudível. Em seguida, começou a voltar ao tom original – mas 30% mais alto que o som dos alto-falantes. As ondas sonoras estavam captando energia adicional do disco rotativo.

(Universidade de Glasgow)

“O que ouvimos durante nosso experimento foi extraordinário”, disse Cromb.

“O que está acontecendo é que a frequência das ondas sonoras está sendo alterada para zero com o doppler à medida que a velocidade de rotação aumenta. Quando o som recomeça, é porque as ondas passaram de uma frequência positiva para uma frequência negativa. Essas ondas de freqüência negativas são capazes de absorver parte da energia do disco giratório de espuma, ficando mais altas no processo – exatamente como Zel’dovich propôs em 1971.”

A equipe planeja tentar descobrir como estender essa pesquisa às ondas eletromagnéticas – luz -, mas essa pesquisa é um passo impressionante na compreensão dos buracos negros. Ele mostra como suas propriedades extremas podem ser investigadas em ambientes de laboratório, se você tiver as ferramentas certas – e elas nem sempre precisam ser sofisticadas, condensadas de alta tecnologia Bose-Einstein.

Pesquisas como essa também podem levar a novas tecnologias, se for possível descobrir uma maneira de aproveitar esse fenômeno fascinante.

“Estamos empolgados por termos conseguido verificar experimentalmente uma física extremamente estranha um meio século depois que a teoria foi proposta”, disse o físico Daniel Faccio, da Universidade de Glasgow.

“É estranho pensar que fomos capazes de confirmar uma teoria de meio século de origem cósmica aqui em nosso laboratório no oeste da Escócia, mas achamos que ela abrirá muitas avenidas novas de exploração científica”.

A pesquisa foi publicada na Nature Physics.

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