Físicos confirmaram as previsões da teoria homônima de buraco negro de Stephen Hawking usando um buraco negro que construíram em seu laboratório, de acordo com um novo artigo.
Este buraco negro não é como os do espaço, onde a gravidade cria uma região do espaço-tempo tão distorcida que a luz não pode escapar. Em vez disso, os pesquisadores construíram um buraco negro análogo utilizando um estranho material quântico chamado condensado de Bose-Einstein, no qual o ponto sem retorno é o som e não a luz. Ainda assim, é uma verificação importante do trabalho de Hawking.
“Estou interessado em aprender o que pudermos sobre buracos negros reais e gravidade real”, disse o autor do estudo, Jeff Steinhauer, físico do Instituto de Tecnologia Technion-Israel, ao Gizmodo.
A teoria emblemática de Stephen Hawking chama-se radiação de Hawking. Ao tentar aplicar as leis físicas que regem o calor nos buracos negros, ele percebeu que os buracos negros devem emitir radiação de suas superfícies. O mecanismo marca uma combinação de mecânica quântica (a ciência das menores coisas) com a gravidade (a ciência das interações entre as coisas mais massivas). Mas os astrônomos não conseguiram se aproximar o suficiente de um buraco negro para provar ou refutar a teoria. Em vez disso, alguns cientistas se dedicaram a criar análogos no laboratório.
Os cientistas criaram um condensado de Bose-Einstein alongado capturando 8.000 átomos de rubídio em um feixe de laser focalizado. Condensados de Bose-Einstein são sistemas de átomos ultrafrios, onde estranhos fenômenos físicos quânticos se tornam mais visíveis em escalas maiores. Eles são frequentemente usados em experiências analógicas como essas.
Um segundo laser aumenta a energia potencial de um lado do condensado de Bose-Einstein, tornando-o mais denso naquele lado. Uma transição brusca separa a área mais densa (considerada fora do buraco negro) e a área menos densa (dentro do buraco negro). Essa transição se move a uma velocidade constante através do condensado, mas, do ponto de vista dos observadores, parece estar estacionária; em vez disso, parece que todos os átomos de rubídio estão se movendo. Fora do buraco negro, na região mais densa, a velocidade do som é mais rápida do que a velocidade desse fluxo, de modo que as ondas sonoras podem se mover em qualquer direção. Mas na região menos densa – dentro do buraco negro – a velocidade do som é mais lenta, então as ondas sonoras apenas se afastam da transição brusca e penetram no buraco negro, como descrito no artigo publicado na revista Nature.
Esta experiência imita uma das características mais importantes do buraco negro – fora dele, a luz pode se afastar ou entrar. Mas uma vez dentro do buraco negro, não há como escapar. O análogo de laboratório substitui a luz pelo som, e os pesquisadores podem medir as ondas sonoras dentro e fora do “horizonte de eventos” de seu buraco negro. O sinal da radiação de Hawking é uma correlação entre esses dois tipos de ondas.
A equipe de Steinhauer observou anteriormente a radiação Hawking neste sistema em 2016. Mas desta vez, eles fizeram pelo menos 21 melhorias no sistema para obter um sinal melhor. Isso foi o suficiente para extrair informações importantes sobre a radiação do sistema, ou seja, que ele tem um espectro térmico com uma temperatura determinada apenas pelo equivalente análogo do sistema à gravidade, uma relação entre a velocidade do som e seu fluxo. Isto significa que ele emitiu um espectro contínuo de comprimentos de onda, em vez de comprimentos de onda preferidos. Essas observações e as temperaturas foram exatamente como previsto nas teorias de Hawking.
“Do meu ponto de vista, o que vimos foi que os cálculos de Hawking estavam corretos”, disse Steinhauer. Por “corretos”, ele quer dizer que são um efeito real que acontece nesses tipos de sistemas. Se eles acontecem em buracos negros reais no espaço, bem, ainda não temos certeza. Mas eles mostram que, se Hawking estava correto, qualquer informação que caísse em um buraco negro seria perdida, assunto de um importante paradoxo de buraco negro.
A matemática Silke Weinfurtner, da Universidade de Nottingham, no Reino Unido, escreveu em um comentário da Nature que a pesquisa era “promissora” e que o esquema que os pesquisadores usaram para extrair a temperatura da radiação era “inteligente”. Talvez, escreveu ela, o equipamento será útil para calcular outro fenômeno quântico interessante que deve ocorrer perto do horizonte de eventos do buraco negro.
Esta pesquisa é mais um exemplo de como cientistas utilizam análogos para estudar fenômenos físicos que poderiam ser impossíveis de serem observados. Isso pode servir como uma verificação importante das teorias que orientam nossa compreensão de coisas inacessíveis.
Os pesquisadores esperam agora refazer repetidamente o experimento, a fim de determinar como essa radiação Hawking muda com o tempo. E, quem sabe, talvez um dia realmente possamos medir essas propriedades em buracos negros reais.
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