Os físicos misturaram o brilho mais famoso de um buraco negro a partir de um fio de fibra óptica e observaram pela primeira vez que a luz produzida reage no buraco negro simulado.
O resultado dá aos pesquisadores uma rara visão prática da radiação Hawking – a tênue emissão térmica que Stephen Hawking previu que surgiria. buraco negro – e fornece uma primeira pista sobre um pequeno choque que poderia, em princípio, evaporar lentamente um buraco negro real, disse a equipe de pesquisa em um novo estudo.
Trabalhando com uma experiência de mesa em fibras ópticas, a equipa internacional detectou tanto a radiação como o seu tão procurado “feedback” – a forma como a radiação devolve energia e remodela o material que cria.
De acordo com a nova pesquisa, publicada em 1º de julho, o Dr. Revista NaturezaA luz comportou-se exatamente como Hawking havia previsto: o brilho de um objeto quente, com temperatura fixa e um espectro que desaparece em direção a frequências mais altas. Também o fez num regime em que a descrição habitual de um buraco negro nos manuais deveria falhar.
Um infográfico explicando como a radiação Hawking funciona de forma contrária às previsões da relatividade geral.
(Crédito da imagem: Alain Bomenel, Valentina Breschi, William Ickes via Getty Images)
Onde três grandes teorias colidem
A radiação Hawking é famosa porque fica na intersecção de física‘A melhor ideia.
“Jacob Bekenstein previu que os buracos negros têm entropia e temperatura, e Hawking calculou a radiação térmica dos buracos negros”, disse o coautor do estudo. Lobo Leonhartum físico do Instituto Weizmann de Ciência em Israel, disse ao Live Science por e-mail. “Na radiação Hawking-Beckenstein, a física quântica, a relatividade geral e a termodinâmica se unem – assuntos que geralmente estão em conflito entre si.”
O conflito é profundo: Relatividade geral Embora as imagens sejam suaves e contínuas como o espaço e o tempo Mecânica Quântica descreve um mundo de saltos isolados e inesperados – e ninguém conseguiu conciliar os dois.
Receba as descobertas mais interessantes do mundo diretamente na sua caixa de entrada
É esta combinação que torna a radiação Hawking tão difícil de estudar. Os astrônomos nunca viram, e provavelmente nunca verão, a radiação Hawking de um buraco negro real; A aura é muito fraca para atravessar o cosmos. Assim, os físicos recorreram a substitutos de laboratório que obedecem às mesmas equações, criando análogos de buracos negros a partir de água corrente, átomos ultrafrios e luz, como neste estudo.
O físico Stephen Hawking diz que os buracos negros deveriam ser capazes de perder informações através de um tipo de radiação indetectável. Novas pesquisas ampliam o processo que torna isso possível.
(Crédito da imagem: Brian Bader/Stringer via Getty Images)
Criando buracos negros a partir da luz
O truque por trás de cada análogo de buraco negro é um meio móvel. “Imagine um nadador no oceano com uma corrente mais rápida do que ele consegue nadar”, explicou Leonhardt. “Ele foi varrido (evento) horizonteE é por isso que normalmente nada escapa de um buraco negro.”
O horizonte de eventos de um buraco negro é a fronteira onde essa corrente – o próprio espaço, na vida real – começa a se mover mais rápido do que qualquer outra coisa pode viajar. Para recriar isto, a equipe precisava de um material que pudesse viajar à velocidade da luz. A solução deles foi elegante: usar a luz para “materializar”.
“Em óptica, precisamos de um material que possa ser visto movendo-se à velocidade da luz”, diz Leonhardt. “Para isso usamos a própria luz – na óptica não linear, a luz atua como um material.”
Na prática, os pesquisadores disparam um pulso de “bomba” intenso e ultracurto em uma fina fibra de cristal fotônico – um fio de vidro com um padrão de minúsculos canais de ar ao longo de seu comprimento, o que permite aos pesquisadores ajustar como a luz viaja através dele. À medida que viajava, o pulso mudava ligeiramente a forma como a luz do vidro se curvava, criando uma lombada em movimento que a acompanhava. Um segundo pulso de “sonda”, muito mais fraco, atingiu essa frente móvel. Onde a sonda não conseguia mais se mover, um horizonte artificial foi criado — e nasceu o análogo do buraco negro.
Ava pega sua resistência
Devido aos UV. Segundo a teoria, a radiação Hawking é produzida aos pares: um parceiro escapa, enquanto o outro carrega energia “negativa”, a imagem espelhada que cai em um buraco negro real. Na fibra, esse parceiro apareceu como luz ultravioleta.
“Contamos os fótons no ultravioleta que correspondem aos parceiros de Hawking além do horizonte”, explicou Leonhardt. “Eles têm um comprimento de onda de cerca de 233 nanômetros. Esse foi o nosso sinal.”
Tão importante quanto ver o brilho era entender como ele foi criado. Durante anos, os investigadores presumiram que a fibra gerava a sua radiação Hawking através de uma cascata – uma cadeia de passos discretos em que a luz é primeiro convertida numa forma intermédia e depois noutra, cada radiação alimentando a seguinte antes de finalmente emergir. A equipe descobriu que, em vez disso, funciona uma interação única e direta, fazendo com que o par Hawking com a bomba e a sonda acenda em uma etapa limpa. É uma imagem muito mais simples que, segundo os pesquisadores, poderia ser transferida para outros análogos e até mesmo para buracos negros reais.
Como a energia tem que vir de algum lugar, a radiação Hawking deve empurrar a fonte que a criou. Para um buraco negro real, esse choque é a forma como perde massa e, num período de tempo inimaginável, evapora completamente – um processo descrito por Hawking no seu artigo histórico de 1974. Nenhum dos testes capturou essa regressão.
Aqui, a equipe olha para isso. A radiação produzida muda uma pequena fração da luz do pulso da bomba para uma cor ligeiramente diferente, deixando um padrão discreto no espectro. A assimetria que falta nos testes anteriores é a impressão digital de reação inversa, ou recuo – o análogo do buraco negro pagando silenciosamente um preço energético pela sua própria luminosidade.
Uma estrada experimental quântica
O resultado também fala de um dos quebra-cabeças mais espinhosos da física dos buracos negros: o problema transplanckiano. A radiação de Hawking regressa ao local onde nasceu, e o cálculo continua na região que nenhum físico consegue provar – a escala de Planck, o tamanho cada vez mais pequeno onde se pensa que o espaço e o tempo perdem o seu significado familiar e revelam toda a física conhecida. A previsão de Hawking, por outras palavras, parece basear-se numa premissa que pode não existir.
“Qualquer luz que se estende além do horizonte”, disse Leonhardt. “Portanto, deve vir de ondas menores do que a menor escala da natureza, onde a física é desconhecida. Será que ainda emitirá radiação Hawking? Essa era a questão, e nós a respondemos em nosso experimento.” Notavelmente, a luminosidade era completamente térmica mesmo neste regime extremo.
O próximo passo da equipe é concreto. Até agora, eles usaram luz laser comum, que reproduz o espectro da radiação Hawking, mas não sua estranheza quântica mais profunda. Em seguida, a equipe planeja “tornar-se quântica”, disse Leonhard. “Como entramos no regime quântico e observamos propriedades quânticas, por exemplo armadilha”- o elo físico que liga cada partícula de Hawking que escapou ao seu parceiro desaparecido.
Veja o quanto você sabe sobre buracos negros conosco Teste do buraco negro!
