Pode ser uma maneira mais simples de descrever como os buracos negros “sopram” energia do que a teoria proposta por Stephen Hawking – e o processo recentemente proposto é semelhante à forma como descrevemos uma panela de água fervente. Esta descrição simples (bem, relativamente simples) pode ser usada para modelar buracos negros em muitos cenários, como durante a sua formação, fusões com outros buracos negros, eventual evaporação e até morte explosiva.
Na década de 1970, o lendário físico teórico Dr. Stephen Hawking escreveu uma carta na revista Nature intitulada “Explosão de buraco negro?“explica como esses objetos podem vazar radiação térmica, vaporizar e eventualmente explodir no final de suas vidas. Essa radiação é conhecida como rejeitos. Radiação Hawking.
Mas num novo estudo, os cientistas sugeriram uma alternativa à radiação Hawking. Isso inclui a descrição da desordem ou aumento da entropia dos buracos negros. Água fervente, por exemplo, é frequentemente descrita com base no aumento da entropia. Para os buracos negros, esta medida de entropia está ligada a propriedades como spin e energia, o que significa que pode ser usada para compreender como estes titãs cósmicos respondem a vários eventos.
“As leis de Hawking sobre a mecânica dos buracos negros fornecem uma ligação satisfatória entre a física extrema e a física comum e têm sido paradigmáticas há 50 anos, mas têm uma séria limitação,” disse o líder da equipa, Abhay Ashtekar, do Eberly College of Science da Penn State University. em uma declaração. “Foram formuladas para buracos negros em equilíbrio – ou inalterados ao longo do tempo – mas os buracos negros estão em constante mudança; formam-se, fundem-se e eventualmente evaporam. Queríamos encontrar uma forma de ultrapassar esta limitação e estender a lei aos buracos negros que estão fora de equilíbrio.”
Buracos negros, Einstein e Hawking
Para investigar a origem dos buracos negros, é preciso voltar ao físico mais famoso da história (desculpe, Hawking, você é o número dois), Albert Einstein.
Em 1915, Einstein publicou sua teoria da gravidade, Relatividade geral. Um resultado da equação baseada nessa teoria é uma probabilidade singularidadeUm ponto onde as equações da relatividade geral vão ao infinito Representa o coração de um buraco negro.
Outra consequência da equação da relatividade geral é que existe uma região do espaço em torno desta singularidade onde a gravidade é tão extrema que a velocidade de escape da região aumenta para valores maiores que a velocidade da luz. Esta região é conhecida como o limite externo de captura de luz do buraco negro horizonte de eventosIsso nos impede de ver a singularidade no centro do buraco negro ou de obter informações dele. Na verdade, até ao trabalho de Hawking em 1974, era por esta razão que se propunha que nada poderia escapar a um buraco negro.
“As leis da mecânica dos buracos negros vêm diretamente das equações de Einstein”, disse Daniel E. Paraiso, membro da equipe, estudante de física na Penn State. “Como não se pode ver um buraco negro, parecia que poderia haver um número infinito de maneiras de criar um buraco negro, tornando a sua entropia também infinita. Eles apenas absorvem energia e nunca irradiam, por isso a sua temperatura era zero.”
No entanto, o advento da radiação Hawking mudou um pouco este paradigma. Ao sugerir que os buracos negros na verdade irradiam energia térmica, Hawking os redefiniu de tal forma que de repente Leis da termodinâmica Buracos negros podem ser aplicados.
“Isso mudou o pensamento sobre as propriedades termodinâmicas dos buracos negros, de uma espécie de conceito matemático descrito por equações, para uma realidade física”, disse Paraiso. “Isso abre a porta para encontrar analogias na entropia e na temperatura dos buracos negros usados na termodinâmica.”
Na receita de Hawking para um buraco negro, a área do horizonte de eventos é proporcional à sua temperatura e entropia, e inversamente proporcional à sua massa e rotação.
“Há um problema, porém”, disse Jonathan Shue, membro da equipe, também da Penn State, no comunicado. “Essas analogias só funcionam para um buraco negro que está em equilíbrio. Em condições dinâmicas, o horizonte de eventos pode se formar e crescer no que chamamos de região plana do espaço-tempo, onde nada acontece.”
Shu acrescentou que uma consequência disto é que as propriedades dos buracos negros não podem ser determinadas apenas pela física local do buraco negro. Em vez disso, a determinação das propriedades dos buracos negros depende da previsão de eventos que podem ou não ocorrer no futuro.
“Portanto, a área do horizonte de eventos não pode ser uma medida da entropia física de um buraco negro dinâmico”, argumentou Shu. “Se quisermos compreender os buracos negros que estão a crescer, a evaporar-se e a fundir-se, precisamos de uma alternativa viável.”
Para a equipe, isso significa substituir o horizonte de eventos de um buraco negro por algo que eles chamam de “horizonte dinâmico”, já usado quando os cientistas simulam buracos negros. Agora, a primeira lei da termodinâmica – que afirma que a energia num sistema fechado não pode ser criada ou destruída, mas apenas mudar de forma – pode ser aplicada aos buracos negros mesmo quando estes estão envolvidos em trabalho dinâmico. Isso significa em relação aos buracos negros A segunda lei da termodinâmicaO que afirma que a entropia total de um sistema isolado sempre aumentará ao longo do tempo durante o seu nascimento, consolidação e morte.
“Isto permite-nos estender a primeira e a segunda leis da termodinâmica aos buracos negros fora do equilíbrio, superando assim as limitações do paradigma utilizado durante mais de meio século”, diz Ashtekar. “Podemos aplicar essas leis gerais para entender melhor os buracos negros em evaporação na teoria quântica e nas fusões de buracos negros.”
A pesquisa da equipe foi publicada na revista em junho Carta de revisão física.
