Buracos negros devem ter singularidades, diz a relatividade de Einstein
Dentro de um buraco negro, a curvatura do espaço-tempo é tão grande que a luz não pode escapar, nem as partículas, em nenhuma circunstância. Uma singularidade, baseada em nossas leis atuais da física, deve ser uma inevitabilidade. Crédito da imagem: usuário do Pixabay JohnsonMartin.
A menos que você possa fazer uma força que viaje mais rápido que a velocidade da luz, uma singularidade é inevitável.
Quanto mais massa você colocar em um pequeno volume de espaço, mais forte será a atração gravitacional. De acordo com a teoria geral da relatividade de Einstein, há um limite astrofísico para o quão denso algo pode ficar e ainda permanecer um objeto macroscópico e tridimensional. Exceda esse valor crítico e você está destinado a se tornar um buraco negro: uma região do espaço onde a gravitação é tão forte que você cria um horizonte de eventos e uma região de dentro da qual nada pode escapar. Não importa o quão rápido você se mova, quão rápido você acelere, ou mesmo se você se mover no limite máximo de velocidade do Universo – a velocidade da luz – você não pode sair. As pessoas muitas vezes se perguntam se pode haver uma forma estável de matéria ultradensa dentro desse horizonte de eventos que resistirá ao colapso gravitacional e se uma singularidade é realmente inevitável. Mas se você aplicar as leis da física como as conhecemos hoje, você não pode evitar uma singularidade. Aqui está a ciência por trás do porquê.
A estrela de nêutrons de rotação muito lenta no núcleo do remanescente de supernova RCW 103 também é um magnetar. Em 2016, novos dados de uma variedade de satélites confirmaram isso como a estrela de nêutrons de rotação mais lenta já encontrada. Supernovas mais massivas podem criar um buraco negro, mas as estrelas de nêutrons podem ser os objetos físicos mais densos que a natureza pode criar sem uma singularidade. Crédito da imagem: Raio-X: NASA/CXC/Universidade de Amsterdã/N.Rea et al; Óptico: DSS.
Imagine o objeto mais denso que você pode fazer que ainda não seja um buraco negro. Quando estrelas massivas se transformam em supernovas, elas podem formar um buraco negro (se estiverem acima de um limite crítico), mas mais comumente verão seus núcleos colapsarem para formar uma estrela de nêutrons. Uma estrela de nêutrons é basicamente um enorme núcleo atômico: uma coleção unida de nêutrons mais massiva que o Sol, mas contida em uma região do espaço com apenas alguns quilômetros de diâmetro. É concebível que, se você exceder a densidade permitida no núcleo de uma estrela de nêutrons, ela possa passar para um estado de matéria ainda mais concentrado: um plasma de quark-glúon, onde as densidades são tão grandes que não faz mais sentido considerar o matéria lá como estruturas individuais e vinculadas.
Uma anã branca, uma estrela de nêutrons ou mesmo uma estranha estrela de quarks ainda são feitas de férmions. A pressão de degeneração de Pauli ajuda a manter o remanescente estelar contra o colapso gravitacional, impedindo a formação de um buraco negro. Crédito da imagem: CXC/M. Weiss.
Mas por que podemos ter matéria dentro do núcleo de um objeto tão denso? Porque algo deve estar exercendo uma força externa, mantendo o centro contra o colapso gravitacional. Para um objeto de baixa densidade como a Terra, a força eletromagnética é suficiente para fazê-lo. Os átomos que temos são feitos de núcleos e elétrons, e as camadas eletrônicas empurram umas contra as outras. Porque temos a regra quântica do Princípio de Exclusão de Pauli , o que impede que dois férmions idênticos (como elétrons) ocupem o mesmo estado quântico. Isso vale para matéria tão densa quanto uma estrela anã branca, onde um objeto de massa estelar pode existir em um volume não maior que o tamanho da Terra.
Uma comparação precisa de tamanho/cor de uma anã branca (L), a Terra refletindo a luz do nosso Sol (no meio) e uma anã negra (R). Quando as anãs brancas finalmente irradiarem o último de sua energia, todas elas acabarão se tornando anãs negras. A pressão de degeneração entre os elétrons dentro da anã branca/preta, no entanto, sempre será grande o suficiente, desde que não acumule muita massa, para evitar que entre em colapso ainda mais. Crédito da imagem: BBC / GCSE (L) / SunflowerCosmos (R).
Se você colocar muita massa em uma estrela anã branca, no entanto, os próprios núcleos individuais sofrerão uma reação de fusão descontrolada; há um limite para a massa de uma estrela anã branca. Em uma estrela de nêutrons, não há átomos no núcleo, mas sim um enorme núcleo atômico, feito quase exclusivamente de nêutrons. Os nêutrons também atuam como férmions – apesar de serem partículas compostas – e as forças quânticas também funcionam para mantê-los contra o colapso gravitacional. É possível, além disso, imaginar outro estado ainda mais denso: uma estrela de quarks, onde quarks individuais (e glúons livres) interagem entre si, obedecendo à regra de que duas partículas quânticas idênticas não podem ocupar o mesmo estado quântico.
Os estados de energia do elétron para a configuração de energia mais baixa possível de um átomo de oxigênio neutro. Como os elétrons são férmions, não bósons, eles não podem existir no estado fundamental (1s), mesmo em temperaturas arbitrariamente baixas. Essa é a física que impede que dois férmions ocupem o mesmo estado quântico e mantém a maioria dos objetos contra o colapso gravitacional. Crédito da imagem: Fundação CK-12 e Adrignola do Wikimedia Commons.
Mas há uma percepção fundamental no mecanismo que impede que a matéria entre em colapso em uma singularidade: as forças devem ser trocadas. O que isso significa, se você tentar visualizá-lo, é que partículas que carregam força (como fótons, glúons, etc.) devem ser trocadas entre os vários férmions no interior do objeto.
As trocas de força dentro de um próton, mediadas por quarks coloridos, só podem se mover na velocidade da luz; não mais rápido. Dentro do horizonte de eventos de um buraco negro, essas geodésicas semelhantes à luz são inevitavelmente atraídas para a singularidade central. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Qashqaiilove.
A questão é que há um limite de velocidade para o quão rápido esses portadores de força podem ir: a velocidade da luz. Se você deseja que uma interação funcione fazendo com que uma partícula interior exerça uma força externa sobre uma partícula externa, precisa haver alguma maneira de uma partícula viajar ao longo desse caminho externo. Se o espaço-tempo contendo suas partículas estiver abaixo do limite de densidade necessário para criar um buraco negro, não há problema: mover-se na velocidade da luz permitirá que você faça essa trajetória externa.
Mas e se o seu espaço-tempo cruzar esse limite? E se você criar um horizonte de eventos e tiver uma região do espaço onde a gravidade é tão intensa que, mesmo que você se mova na velocidade da luz, não consiga escapar?
Qualquer coisa que se encontre dentro do horizonte de eventos que envolve um buraco negro, não importa o que mais esteja acontecendo no Universo, será sugada para a singularidade central. Crédito da imagem: Bob Gardner / ETSU.
De repente, não há nenhum caminho que funcione! A força gravitacional trabalhará para puxar essa partícula externa para dentro, mas nessas condições a partícula portadora de força vinda da partícula interna simplesmente não pode se mover para fora. Dentro de uma região suficientemente densa, mesmo partículas sem massa não têm para onde ir, exceto para os pontos mais internos possíveis; eles não podem influenciar pontos exteriores. Assim, as partículas externas não têm escolha a não ser cair, mais perto da região central. Não importa como você o configure, cada partícula dentro do horizonte de eventos inevitavelmente acaba em um local singular: a singularidade no centro do buraco negro.
Uma vez que você cruza o limiar para formar um buraco negro, tudo dentro do horizonte de eventos se reduz a uma singularidade que é, no máximo, unidimensional. Nenhuma estrutura 3D pode sobreviver intacta. Crédito da imagem: Pergunte ao Departamento de Física da Van / UIUC.
Desde que as partículas – incluindo partículas que carregam força – sejam limitadas pela velocidade da luz, não há como ter uma estrutura estável e não singular dentro de um buraco negro. Se você puder inventar uma força taquiônica, ou seja, uma força mediada por partículas que se movem mais rápido que a luz, você poderá criar uma, mas até agora nenhuma partícula real, semelhante a táquions, demonstrou existir fisicamente. Sem isso, o melhor que você pode fazer é espalhar sua singularidade em um objeto unidimensional semelhante a um anel (devido ao momento angular), mas isso ainda não lhe dará uma estrutura tridimensional. Desde que suas partículas sejam massivas ou sem massa, e obedeçam às regras da física que conhecemos, uma singularidade é uma inevitabilidade. Não pode haver partículas, estruturas ou entidades compostas reais que sobrevivam a uma jornada em um buraco negro. Em segundos, tudo o que você pode ter é uma singularidade.
Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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