Os cientistas podem ter encontrado um conjunto mais realista de regras termodinâmicas para buracos negros que nunca param de mudar.
Os buracos negros estão entre os objetos mais extremos conhecidos no universo. Comprimem grandes quantidades de massa em áreas notavelmente pequenas, criando campos gravitacionais tão fortes que nada, nem mesmo a luz, consegue escapar depois de cruzarem a fronteira.
Os físicos descrevem buracos negros usando equações extraídas da teoria da relatividade geral de Einstein combinadas com ideias da mecânica quântica. No início da década de 1970, contudo, Stephen Hawking e outros investigadores reconheceram que os buracos negros seguem leis semelhantes às leis da termodinâmica, o ramo da física que explica como o calor, a energia e a desordem se comportam em sistemas simples, como a água a ferver num fogão.
Uma grande limitação da estrutura de Hawking
“Lei de Hawking buraco negro “A mecânica forneceu uma ligação satisfatória entre a física extrema e a física comum, e tem sido um paradigma há 50 anos, mas tem uma limitação séria”, disse Abhay Ashtekar, professor da Universidade Atherton e Evan Pugh, professor emérito de física na Eberly College of Science da Penn State. Tempo – mas os buracos negros mudam constantemente; eles se formam, se fundem e eventualmente evaporam. Esperamos superar esta limitação e estender a lei aos buracos negros sem equilíbrio. Eu queria encontrar um caminho.”
Buracos negros reais raramente são estacionários. Eles podem acumular matéria, colidir com outros buracos negros e perder energia gradualmente por meio de processos quânticos. No entanto, as leis convencionais da mecânica dos buracos negros foram originalmente concebidas para buracos negros em equilíbrio, o que significa que as suas propriedades não mudam ao longo do tempo.
Ashtekar liderou um novo estudo e publicou Carta de revisão físicaOnde foi destacado como sugestão do editor, é proposta outra forma de calcular a entropia de um buraco negro. A entropia é geralmente descrita como uma medida de desordem e não diminui de acordo com a segunda lei da termodinâmica.
A nova definição vincula a entropia mais diretamente à energia e à rotação do buraco negro. Os investigadores dizem que esta abordagem pode fornecer uma forma mais realista de estudar os buracos negros à medida que evoluem, evaporam ou se fundem com outros buracos negros.
Como os buracos negros entraram na termodinâmica
“As leis da mecânica dos buracos negros vêm diretamente das equações de Einstein”, disse Daniel E. Paraiso, estudante de física na Penn State e autor do artigo. “Como não se pode ver um buraco negro, pensava-se que poderia haver um número infinito de maneiras de criar um buraco negro, tornando a sua entropia também infinita. Pensava-se que apenas absorviam energia e nunca irradiavam, por isso a sua temperatura era zero.”
Essas suposições iniciais fizeram com que os buracos negros parecessem incompatíveis com a termodinâmica. Se a sua entropia fosse infinita e a sua temperatura fosse zero, seria difícil tratá-los como sistemas físicos normais.
Essa visão mudou quando Hawking usou a mecânica quântica para mostrar que os buracos negros podiam emitir partículas e energia. Este fenômeno, agora conhecido como radiação Hawking, sugeria que os buracos negros poderiam ter temperatura e perder massa gradualmente.
“Isso mudou o pensamento sobre as propriedades termodinâmicas dos buracos negros, de um tipo de conceito matemático descrito por equações para uma realidade física”, disse Paraiso. “Isso abriu a porta para encontrar a analogia do buraco negro entre entropia e temperatura usada na termodinâmica.”
Hawking propôs que a entropia de um buraco negro é proporcional à área do seu horizonte de eventos. O horizonte de eventos é o limite circundante além do qual a gravidade impede que até mesmo a luz escape. Ele também argumentou que a temperatura de um buraco negro está inversamente relacionada à combinação de sua massa e rotação.
Por que os horizontes de eventos criam um problema
Embora esta estrutura funcione bem para um buraco negro estável, torna-se mais difícil de aplicar quando um buraco negro está a mudar.
“No entanto, há um problema”, disse Jonathan Shu, estudante de física na Penn State e autor do artigo. “Essas analogias só funcionam para um buraco negro que está em equilíbrio. Sob condições dinâmicas, os horizontes de eventos podem se formar e crescer no que chamamos de regiões planas do espaço-tempo, onde nada está acontecendo. Isso os torna teleológicos – suas propriedades não podem ser determinadas apenas pela física local do buraco negro, mas dependem de previsões de eventos que podem não ocorrer no futuro ou de eventos que podem não ocorrer na área. Uma medida da entropia física de um buraco negro dinâmico. Se entendermos que os buracos negros estão crescendo, evaporando e consolidando, precisamos de uma alternativa viável.
Por outras palavras, um horizonte de eventos não é determinado apenas pelo que está a acontecer em torno de um buraco negro num determinado momento. A sua localização pode depender de eventos subsequentes. Esta característica prospectiva torna difícil usar o horizonte de eventos como uma medida física direta da entropia num buraco negro em evolução.
Dynamical Horizons oferece uma nova solução
Os pesquisadores propuseram substituir o horizonte de eventos pelo chamado “horizonte dinâmico”, que já é amplamente utilizado em simulações computacionais de buracos negros.
Ao contrário de um horizonte de eventos, um horizonte dinâmico pode ser definido utilizando as propriedades físicas de um buraco negro num determinado momento. Portanto, evita o problema teleológico e pode oferecer uma forma mais prática de rastrear a entropia à medida que os buracos negros mudam.
“Isso nos permite estender a primeira e a segunda leis da termodinâmica aos buracos negros fora do equilíbrio, superando assim as limitações do paradigma usado por mais de meio século”, disse Ashtekar. “Podemos aplicar estas leis gerais à teoria quântica e às fusões de buracos negros para compreender melhor os buracos negros em evaporação, conforme detectado pela colaboração LIGO-Virgo-KAGRA. Ondas gravitacionais“
A estrutura estendida pode ajudar os físicos a explicar as fusões de buracos negros observadas através de ondas gravitacionais e a investigar o ainda misterioso processo pelo qual os buracos negros evaporam na teoria quântica.
Referência: “Termodinâmica de buracos negros, longe do equilíbrio” por Abhay Ashtekar, Daniel E. Paraizo e Jonathan Shu, 24 de junho de 2026 Carta de revisão física.
DOI: 10.1103/3c1r-v8f1
O financiamento do Penn State Atherton Professorship Program e do Penn State Eberly College of Science apoiou a pesquisa.
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