Buraco Negro

Experimento científico:

Cientistas reproduzem buraco negro

Um ‘Tornado quântico’ permite que cientistas simulem um buraco negro na Terra. Eles criaram um vórtice gigante feito de pequenos pedaços quânticos para trazer a física dos buracos negros à Terra.*

Cientistas simulam um buraco negro em laboratório e estudam as características bizarras destes locais onde o tempo-espaço é distorcido por seus movimentos.

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Graças às imensas forças gravitacionais, as regiões em torno dos buracos negros são ambientes violentos e turbulentos impulsionados pela física e que não podem ser encontrados em nenhum outro lugar do universo. Na verdade, os buracos negros são tão influentes que, quando giram, arrastam consigo a própria estrutura do espaço. Em outras palavras, perto de um buraco negro nada fica parado. Nada mesmo.

É evidente que os buracos negros não podem ser arrastados para a Terra, pelo que estes efeitos podem ser estudados em laboratório — mas uma equipe de investigação, liderada por cientistas da Universidade de Nottingham, fez a segunda melhor opção. Os pesquisadores criaram, pela primeira vez, um “vórtice quântico” giratório em um superfluido de hélio resfriado a temperaturas ultrabaixas. Este aparelho essencialmente imita um buraco negro bem no nosso planeta.

Isso ocorre porque o tornado quântico gerou pequenas ondas na superfície do superfluido, que é um material capaz de apresentar fluxo sem atrito (ou viscosidade incrivelmente baixa) e outros comportamentos exóticos observados em temperaturas próximas do zero absoluto. Estes são comportamentos que imitam as condições encontradas perto de buracos negros em rotação.

“O uso de hélio superfluido nos permitiu estudar pequenas ondas superficiais com maior detalhe e precisão do que em nossos experimentos anteriores na água”, disse Patrik Svancara, líder da equipe e pesquisador da Universidade de Nottingham, em um comunicado. “Como a viscosidade do hélio superfluido é extremamente pequena, fomos capazes de investigar meticulosamente sua interação com o tornado superfluido e comparar as descobertas com nossas próprias projeções teóricas”, afirmou Svancara.

À esquerda está um dispositivo de metal com tons vermelhos na parte inferior e à direita está uma vista em preto e branco de uma poça de líquido em uma caixa cilíndrica.

Tornados giratórios no espaço-tempo

Para compreender como um vórtice superfluido pode assemelhar-se a um buraco negro, é vital lembrar o que a teoria da relatividade geral de Einstein, de 1915, nos diz sobre os buracos negros. A relatividade geral sugere que o espaço e o tempo são uma entidade única chamada espaço-tempo e que a gravidade surge quando objetos de massa fazem com que o espaço-tempo se curve.

Os buracos negros não são realmente objetos, mas são regiões do espaço-tempo criadas por uma massa infinitamente densa e compacta – uma singularidade central onde as próprias leis da física falham. O limite externo dessas regiões do espaço-tempo é chamado de horizonte de eventos e representa o ponto em que nem mesmo a luz é rápida o suficiente para corresponder à velocidade de escape do buraco negro.

Os buracos negros têm apenas três características conhecidas: carga elétrica, massa e momento angular, ou “spin”. Um buraco negro em rotação, ou "buraco negro de Kerr", com momento angular também arrasta consigo a estrutura do espaço-tempo na direção de sua rotação, um efeito conhecido como "arrasto de quadro", ou efeito Lense-Thirring, segundo o cientista que primeiro o propôs.

Considerando como o efeito Lense-Thirring e as forças da matéria em torno de um buraco negro de Kerr em movimento constante, faz sentido que um vórtice num fluido, ou talvez um tornado na atmosfera, seja vagamente análogo a tal região do espaço-tempo. Mas o que é fundamental no vórtice de simulação de buraco negro da equipe é que ele não é encontrado em nenhum fluido antigo. Foi feito em superfluido resfriado a zero absoluto.

Para conduzir o experimento, a equipe construiu um sistema criogênico personalizado capaz de conter vários litros de hélio e resfriá-lo a temperaturas abaixo de 456 graus Fahrenheit negativos (271 graus Celsius negativos). Isso é cerca de 3 a 4 graus acima do zero absoluto, igual a menos 459,76 graus Fahrenheit (menos 273,15 graus Celsius). O zero absoluto é teoricamente a temperatura mais fria possível. No zero absoluto, todo movimento atômico cessaria.

Nas temperaturas alcançadas pelo experimento, o hélio líquido desenvolve propriedades quânticas que normalmente impediriam a formação de vórtices gigantes. Este sistema mostrou como isso não pode ser contornado; a equipe finalmente construiu um tornado quântico no superfluido ultrafrio usando uma infinidade de peças menores.

“O hélio superfluido contém pequenos objetos chamados vórtices quânticos, que tendem a se espalhar uns dos outros. Em nossa configuração, conseguimos confinar dezenas de milhares desses quanta em um objeto compacto semelhante a um pequeno tornado, alcançando um fluxo de vórtice com força recorde no reino dos fluidos quânticos”, disse Svancara.

Svancara e colegas descobriram paralelos fascinantes entre o tornado quântico e a forma como a gravidade dos buracos negros influencia o espaço-tempo. A equipe espera que o experimento abra uma maneira de simular a física quântica de forma mais ampla dentro do espaço-tempo curvo em geral, e até mesmo em torno do espaço-tempo curvo de um buraco negro.

“Quando observamos pela primeira vez assinaturas claras da física dos buracos negros em nosso experimento analógico inicial em 2017, foi um momento inovador para a compreensão de alguns dos fenômenos bizarros que são muitas vezes desafiadores, se não impossíveis, de estudar de outra forma”, disse Silke Weinfurtner, líder do Laboratório Black Hole onde este experimento foi desenvolvido e conduzido.

De acordo com Weinfurtner, “Agora com a nossa experiência mais sofisticada, levamos esta investigação para o próximo nível, o que poderá eventualmente levar-nos a prever como os campos quânticos se comportam em espaços-tempos curvos em torno de buracos negros astrofísicos”.

A pesquisa da equipe foi publicada em 20/03/2024 na revista Nature.

* Informações de Space.com, com tradução e edição de Pepe Chaves para ASTROvia.

- Crédito da imagem: Robert Lea/reprodução.

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