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Estranhos ‘cristais do espaço-tempo’ podem dar origem a pequenos buracos negros
Quando pensamos num buraco negro, provavelmente imaginamos algum vasto titã cósmico, consumindo avidamente qualquer matéria que tenha a infelicidade de cair sob a sua influência gravitacional. Pensando mais profundamente, provavelmente imaginamos esta fera cósmica voraz se formando a partir do colapso explosivo do núcleo de uma estrela massiva. Talvez até imaginemos um buraco negro supermassivo no coração de uma galáxia, formado a partir de uma infinidade de fusões entre buracos negros mais pequenos e atingindo massas milhões ou mesmo milhares de milhões de vezes a do Sol.
Contudo, por mais precisa que seja esta imagem, muitos cientistas há muito que suspeitam que é apenas a ponta do buraco negro iceberg, representando uma única classe de “buracos negros astrofísicos”. Estes investigadores teorizam que os buracos negros também podem formar-se em tamanhos muito mais diminutos que não requerem a existência e morte de estrelas massivas ou pares anteriores de buracos negros. Em particular, muitos cientistas pensam que pequenos buracos negros, com massas tão pequenas como a de um asteróide de tamanho médio, poderiam ter-se formado directamente a partir de flutuações de densidade na matéria quente e densa que enchia o cosmos momentos depois do Big Bang. Esses objetos permaneceram hipotéticos, pois a evidência de sua existência se mostrou ilusória. No entanto, isso não impediu os investigadores de pensar em buracos negros não astrofísicos e nas rotas para a sua formação.
Um exemplo são as novas pesquisas de cientistas da Universidade Goethe, de Frankfurt, e da Universidade de Tecnologia de Viena (TU Wien), que sugerem que buracos negros minúsculos poderia se formar quando a própria estrutura do espaço e do tempo, unida como uma entidade quadridimensional chamada “espaço-tempo”, sofre um colapso crítico e se organiza em um arranjo regular semelhante a um cristal. Embora a ideia não seja totalmente nova, a equipe se tornou a primeira a descrever matematicamente essa transformação. E o mais surpreendente é que eles fizeram isso com nada mais do que caneta e papel!
Embora os buracos negros astrofísicos se formem a partir de alguns dos eventos mais titânicos e violentos do universo, como o colapso do núcleo supernovas ou fusões de buracos negrosque definiu a própria estrutura do espaço-tempo vibrando com ondas gravitacionais que podem ser “ouvidos” a milhões e até bilhões de anos-luz de distância, a equipe descobriu que esses buracos negros em colapso crítico poderiam nascer com apenas um pequeno empurrão.
“Às vezes, uma causa pequena e aparentemente insignificante é suficiente para desencadear uma mudança enorme e dramática”, disse Daniel Grumiller, da TU Wien, membro da equipe ao Space.com. “Esses buracos negros microscópicos se formariam se você tivesse um cristal do espaço-tempo e injetasse uma quantidade arbitrariamente pequena de energia – um pouco como o que acontece quando você tem água sub-resfriada e a agita para que ela cristalize.”
Grumiller explicou ainda que quando a água líquida está no seu ponto de congelamento, apenas uma pequena mudança é necessária para fazer com que as moléculas de água se organizem espontaneamente num padrão regular e formem um cristal de gelo. Mesmo uma pequena mudança na estrutura do espaço-tempo pode permitir o desenvolvimento de um padrão repetido, resultando no surgimento de um cristal do espaço-tempo, teoriza a equipe. Isto pode iniciar o processo de colapso crítico.
“Você pode pensar no cristal crítico do espaço-tempo como água no ponto de congelamento; mesmo que ainda seja água, ele já ‘sabe’ sobre o gelo, e pequenas perturbações podem converter água a 0 Celsius em gelo, ou vice-versa”, disse Grumiller.
Entre no palco à esquerda do espaço-tempo
Einstein sugeriu em sua teoria da gravidade de 1915, relatividade geralque partículas de massa fazem com que a própria estrutura do espaço-tempo se curve. Isso significa que quando as partículas se movem através do espaço-tempo, elas afetam a própria estrutura do espaço-tempo. Esse foi o aspecto revolucionário da repensação da gravidade feita por Einstein: para Newton, o espaço e o tempo eram apenas um palco no qual os intervenientes do universo, a energia e a matéria, desempenhavam os seus papéis. Para Einstein, o espaço-tempo fazia parte da produção. É esse papel ativo que permite a formação de buracos negros astrofísicos e suas contrapartes diminutas.
“Dizemos que o espaço-tempo é curvado pela massa”, disse Christian Ecker, do Instituto de Física Teórica da Universidade Goethe de Frankfurt. disse em um comunicado. “Objetos grandes, como estrelas, curvam fortemente o espaço-tempo – por exemplo, podemos observar isso quando os raios de luz são desviados por estrelas massivas. Mas massas menores também produzem curvatura do espaço-tempo, apenas em menor extensão.” No entanto, como os minúsculos buracos negros são mais quentes do que os seus homólogos astrofísicos, eles rapidamente “vazam” radiação térmica chamada “Radiação Hawking“para o frio do espaço; esses buracos negros de cristal do espaço-tempo evaporariam rapidamente.
“Este cristal do espaço-tempo é um objeto muito peculiar e fascinante. É uma espécie de estado intermediário, um ponto instável que pode evoluir em duas direções diferentes”, continuou Grumiller. “Depois de algum tempo, a instabilidade entrará em ação e os cristais do espaço-tempo se dispersarão em radiação ou entrarão em colapso em um pequeno buraco negro. No caso de o cristal entrar em colapso em um buraco negro, ele será classicamente estável.”
Grumiller explicou que uma surpresa que esta pesquisa proporcionou foi o quão simples eram as suas descrições matemáticas deste processo ao apresentar soluções para as equações da relatividade geral.
“Fornecemos as primeiras soluções de papel e lápis para cristais do espaço-tempo. Antes do nosso trabalho, havia apenas simulações numéricas, mas não soluções exatas para as equações de Einstein”, disse Grumiller. “Ficamos surpresos ao ver que as soluções eram tão simples que cabiam em poucas linhas e envolviam apenas funções elementares – isso foi bastante inesperado, dada a complexidade das simulações numéricas correspondentes que levam milhares de horas de processamento no computador.”
Claro, tudo isso é ótimo, mas provar que o colapso crítico dos buracos negros poderia existe e que esta rota poderia ter criado buracos negros primordiais nas condições densas e ricas em partículas logo após o Big Bang não prova realmente buracos negros primordiais existir.
“Se tivermos sorte, os nossos colegas experimentais irão, em algum momento, descobrir buracos negros primordiais. Mas mesmo que isso nunca aconteça, compreender o colapso crítico significa compreender uma parte importante e conceptualmente rica da relatividade geral, a nossa atualmente melhor teoria da gravidade,” concluiu Grumiller. “O nosso próximo passo é descobrir se as nossas várias conjecturas sobre o comportamento dos cristais críticos do espaço-tempo estão corretas.”
A pesquisa da equipe foi publicada na edição de maio da revista Cartas de revisão física.
