Começa Com Um Estrondo

Um buraco negro deu origem ao nosso universo?

Quando um buraco negro é formado, uma ideia especulativa, mas espetacular, é que ele dá origem a um novo universo bebê. Se for esse o caso, pode lançar uma nova luz sobre nossas próprias origens cósmicas, com implicações fascinantes sobre o que pode ocorrer dentro dos buracos negros que nosso Universo formou posteriormente. (NICOLLE RAGER FULLER)

E nossos buracos negros dão à luz Universos bebês?

Quando se trata de nossa compreensão do Universo, o século 20 foi cheio de surpresas. Há pouco mais de 100 anos, pensávamos que a Via Láctea abrigava tudo o que podíamos ver no céu. Pensávamos que o Universo era estático, imutável e possivelmente eterno, governado pela lei da gravitação universal de Newton.

Tudo isso mudou drasticamente em poucos anos. A Relatividade Geral de Einstein substituiu a gravitação de Newton, mostrando-nos a relação entre matéria e energia e o tecido do espaço-tempo. De acordo com suas equações, o Universo não poderia ser estático, mas deve estar mudando ao longo do tempo: fato confirmado com a descoberta do Universo em expansão. Sua teoria também previu a existência de buracos negros, que mais tarde foram descobertos, detectados e até fotografados diretamente.

Isso levou a uma ideia maluca (mas ainda especulativa): que talvez nosso Universo tenha nascido de um buraco negro. Aqui está o que torna a noção tão atraente.

Tanto dentro quanto fora do horizonte de eventos de um buraco negro de Schwarzschild, o espaço flui como uma esteira rolante ou uma cachoeira, dependendo de como você deseja visualizá-lo. No horizonte de eventos, mesmo se você corresse (ou nadasse) na velocidade da luz, não haveria como superar o fluxo do espaço-tempo, que o arrasta para a singularidade no centro. Fora do horizonte de eventos, porém, outras forças (como o eletromagnetismo) podem frequentemente superar a atração da gravidade, fazendo com que até mesmo a matéria em queda escape. (ANDREW HAMILTON / JILA / UNIVERSIDADE DO COLORADO)

A característica definidora de um buraco negro é a existência de um horizonte de eventos: um limite que conta uma história muito diferente para um objeto fora dele versus um dentro dele. Fora do horizonte de eventos de um buraco negro, qualquer objeto experimentará seus efeitos gravitacionais, pois o espaço será curvado pela presença do buraco negro, mas ainda pode escapar. Se ele se mover rápido o suficiente ou acelerar rápido o suficiente na direção correta, não necessariamente cairá no buraco negro, mas poderá se libertar de sua influência gravitacional.

Uma vez que um objeto cruza para o outro lado do horizonte de eventos, no entanto, está imediatamente condenado a ser incluído na singularidade central do buraco negro. Por causa de quão severamente o tecido do espaço-tempo é curvado dentro de um buraco negro, um objeto em queda alcançará a singularidade em segundos após cruzar o horizonte de eventos, aumentando a massa do buraco negro no processo. Para alguém localizado fora do horizonte de eventos, o buraco negro parece se formar, ganhar massa e crescer com o tempo.

Uma das contribuições mais importantes de Roger Penrose para a física dos buracos negros é a demonstração de como um objeto realista em nosso Universo, como uma estrela (ou qualquer coleção de matéria), pode formar um horizonte de eventos e como toda a matéria se liga a ele inevitavelmente encontrará a singularidade central. (NOBEL MEDIA, COMITÊ NOBEL DE FÍSICA; ANOTAÇÕES DE E. SIEGEL)

Mas o que isso tem a ver com o nosso Universo? Se você pegasse todas as formas conhecidas e mensuráveis de matéria e radiação no Universo observável, você teria que somar todos os itens a seguir:

matéria normal, feita de prótons, nêutrons e elétrons,
neutrinos, partículas fantasmagóricas fundamentais que raramente interagem com a matéria normal,
matéria escura, que domina a massa do Universo, mas até agora iludiu os esforços de detecção direta,
fótons, ou partículas de luz, que carregam energia de todos os eventos eletromagnéticos ao longo da história cósmica,
e ondas gravitacionais, que são criadas toda vez que uma massa se move e acelera através do tecido curvo do espaço-tempo.

Nos limites mais distantes do que nossos instrumentos podem detectar, podemos ver até cerca de 46 bilhões de anos-luz de distância em todas as direções. Se você somar toda a energia de todas essas formas em todo o Universo observável, poderá chegar a uma massa equivalente para o Universo usando a relação mais famosa de Einstein: E = mc² .

Perto dali, as estrelas e galáxias que vemos se parecem muito com as nossas. Mas quando olhamos mais longe, vemos o Universo como era no passado distante: menos estruturado, mais quente, mais jovem e menos evoluído. Medir o Universo em diferentes épocas nos ajuda a entender todas as diferentes formas de matéria e energia presentes nele, incluindo matéria normal, matéria escura, neutrinos, fótons, buracos negros e ondas gravitacionais. (NASA, ESA, E A. FEILD (STSCI))

Então, se quiser, você pode fazer uma pergunta bastante profunda: se todo o Universo fosse comprimido em um único ponto, o que aconteceria? A resposta é a mesma que seria se você comprimisse qualquer coleção grande o suficiente de massa ou energia em um único ponto: ela formaria um buraco negro. O que é notável sobre a teoria da gravidade de Einstein é que se esta coleção de massa e/ou energia não está carregada (eletricamente) e não está girando ou girando (ou seja, sem momento angular), a quantidade total de massa é a única fator que determina o tamanho do buraco negro: o que os astrofísicos chamam de raio de Schwarzschild.

Notavelmente, o raio de Schwarzschild de um buraco negro com a massa de toda a matéria no Universo observável é quase exatamente igual ao tamanho observado do Universo visível! Essa percepção, por si só, parece uma coincidência notável, levantando a questão de saber se o nosso Universo pode realmente ser o interior de um buraco negro. Mas isso é apenas o começo da história; à medida que mergulhamos mais fundo, as coisas ficam ainda mais interessantes.

Quando um buraco negro se forma, a massa e a energia colapsam em uma singularidade. Da mesma forma, continuar a extrapolar o Universo em expansão para trás no tempo leva a uma singularidade quando as temperaturas, densidades e energias são altas o suficiente. Esses dois fenômenos poderiam estar conectados? (NASA / CXC / M. WEISS)

Em meados da década de 1960, foi feita uma descoberta que revolucionou nosso conceito de Universo: um banho uniforme e omnidirecional de radiação de baixa energia apareceu em todos os locais do céu. Essa radiação tinha a mesma temperatura em todas as direções, agora determinada em 2,725 K, apenas alguns graus acima do zero absoluto. A radiação tinha um espectro de corpo negro praticamente perfeito, como se tivesse uma origem quente e térmica, e parecia idêntica a 1 parte em 30.000, não importa onde você olhasse no céu.

Essa radiação – originalmente chamada de bola de fogo primitiva e agora conhecida como fundo cósmico de micro-ondas – representou uma evidência crítica de que nosso Universo está se expandindo e esfriando porque era mais quente e mais denso no passado. Quanto mais para trás extrapolamos, menores, mais uniformes e mais compactas as coisas eram. Voltando ao passado, essa imagem do Big Bang quente parece se aproximar de uma singularidade, a mesma condição encontrada nos interiores centrais dos buracos negros: um local onde densidades, temperaturas e energias são tão extremas que as próprias leis da física se quebram .

Quando a matéria colapsa, pode inevitavelmente formar um buraco negro. Penrose foi o primeiro a elaborar a física do espaço-tempo, aplicável a todos os observadores em todos os pontos do espaço e em todos os instantes do tempo, que governa um sistema como este. Sua concepção tem sido o padrão-ouro na Relatividade Geral desde então. (JOHAN JARNESTAD/THE ROYAL SWEDISH ACADEMY OF SCIENCES)

Quando você olha para as equações que governam um buraco negro, há algo notável que também acontece. Se você começar fora do horizonte de eventos e escapar para uma distância infinita do buraco negro, descobrirá que sua distância ( r ) vai de R, o raio de Schwarzschild, ao infinito: ∞. Por outro lado, se você começar dentro do horizonte de eventos e rastrear sua distância do buraco negro até a singularidade central, encontrará a mesma distância ( r ) vai de R, o raio de Schwarzschild, para zero: 0.

Grande coisa, certo?

Não, na verdade é um grande problema, pelo seguinte motivo: se você examinar todas as propriedades do espaço fora do horizonte de eventos de um buraco negro, de R a ∞, e compará-las com todas as propriedades do espaço dentro do horizonte de eventos do buraco negro , de R a 0, eles são idênticos em todos os pontos. Tudo o que você precisa fazer é substituir a distância, r , com seu recíproco, 1/ r (ou, mais precisamente, para substituir todas as instâncias de r /R com R/ r ), e você descobrirá que o interior do buraco negro é matematicamente idêntico ao exterior do buraco negro.

Uma ilustração do espaço-tempo fortemente curvo para uma massa pontual, que corresponde ao cenário físico de estar localizado fora do horizonte de eventos de um buraco negro. Curiosamente, a estrutura matemática do interior de um buraco negro é equivalente à estrutura matemática do espaço externo ao horizonte de eventos. (USUÁRIO DO PIXABAY JOHNSONMARTIN)

À medida que nossa compreensão do Universo melhorou e foi refinada nas últimas décadas, duas novas descobertas abalaram as bases da cosmologia. A primeira foi a inflação cósmica: em vez de surgir de uma singularidade, agora parece que o Universo foi criado por um estado rápido e implacável de expansão exponencial constante que precedeu o Big Bang quente. É como se existisse algum tipo de campo que fornecesse uma energia inerente ao próprio espaço, fazendo com que o Universo inflasse, e somente quando a inflação acabou, o Big Bang quente começou.

A segunda foi a energia escura: à medida que o Universo se expande e se torna menos denso, galáxias distantes começam a se afastar de nós em ritmo acelerado. Mais uma vez – embora com uma magnitude muito menor – o Universo se comporta como se houvesse algum tipo de energia inerente ao próprio espaço, recusando-se a diluir mesmo com a expansão do espaço. Enquanto a inflação e a energia escura existem, as pessoas especulam que pode haver uma conexão.

Durante os primeiros estágios do Universo, um período inflacionário se instalou e deu origem ao Big Bang quente. Hoje, bilhões de anos depois, a energia escura está fazendo com que a expansão do Universo acelere. Esses dois fenômenos têm muitas coisas em comum e podem até estar conectados, possivelmente relacionados através da dinâmica dos buracos negros. (C. FAUCHER-GIGUÈRE, A. LIDZ, E L. HERNQUIST, SCIENCE 319, 5859 (47))

O que pode ser essa conexão? Mais uma vez, os buracos negros podem ser a resposta. Os buracos negros ganham massa à medida que o material cai neles e decaem, perdendo massa, através da radiação Hawking. À medida que o tamanho do horizonte de eventos muda, é possível que isso mude a energia inerente ao tecido do espaço para um observador localizado dentro do horizonte de eventos? É possível que o que percebemos como inflação cósmica marque a criação do nosso Universo a partir de um buraco negro ultramassivo? É possível que a energia escura esteja de alguma forma conectada aos buracos negros também?

E isso significa que, à medida que os buracos negros astrofísicos se formaram dentro do nosso Universo, cada um dá origem ao seu próprio Universo bebê em algum lugar dentro dele? Essas especulações existem há muitas décadas, mas sem uma conclusão definitiva ou comprovável. No entanto, muitos modelos e ideias são abundantes, e essa linha de pensamento continua sendo atraente para muitos que pesquisam buracos negros, termodinâmica e entropia, Relatividade Geral e o início e o fim do Universo.

Por aproximadamente 10 anos, Roger Penrose vem divulgando afirmações extremamente duvidosas de que o Universo exibe evidências de uma variedade de características que são consistentes com o nosso Universo colidindo e sendo ferido por tudo o que ocorreu antes do Big Bang. Esses recursos não são robustos e insuficientes para fornecer suporte às afirmações de Penrose. (V.G. GURZADYAN E R. PENROSE, ARXIV:1302.5162)

Infelizmente, todos os modelos físicos que foram apresentados – pelo menos até agora – falharam em fazer previsões únicas que podem fazer as três coisas a seguir.

Reproduza todos os sucessos, como os fenômenos já observados, que o Big Bang quente inflacionário já conseguiu explicar.
Explicar e/ou explicar fenômenos observados que a teoria predominante não consegue.
Faça novas previsões que diferem daquelas previstas pelo modelo líder atual, que podemos testar.

Talvez a tentativa mais famosa disso seja a Conformal Cyclic Cosmology (CCC) de Roger Penrose, que faz uma previsão única que difere do modelo cosmológico padrão: a existência de pontos Hawking, ou círculos de variação de temperatura incomumente baixa no fundo cósmico de microondas. Infelizmente, essas características não aparecem de forma robusta nos dados, relegando a ideia de que nosso Universo nasceu de um buraco negro – e a ideia de que buracos negros dão origem a Universos bebês – de volta a um que é puramente especulativo.

De fora de um buraco negro, toda a matéria em queda emitirá luz e sempre será visível, enquanto nada por trás do horizonte de eventos pode sair. Mas se foi você que caiu em um buraco negro, sua energia poderia ressurgir como parte de um Big Bang quente em um Universo recém-nascido. (ANDREW HAMILTON, JILA, UNIVERSIDADE DE COLORADO)

Há muito o que gostar na ideia de que há uma conexão entre buracos negros e o nascimento de universos, tanto do ponto de vista físico quanto matemático. É plausível que haja uma conexão entre o nascimento do nosso Universo e a criação de um buraco negro extremamente massivo de um Universo que existia antes do nosso; é plausível que cada buraco negro que foi criado em nosso Universo deu origem a um novo Universo dentro dele.

O que está faltando, infelizmente, é a etapa chave de uma assinatura exclusivamente identificável que poderia nos dizer se esse é o caso ou não. Esse é um dos passos mais difíceis para qualquer físico teórico: determinar a impressão de uma nova ideia em nosso Universo observável, distinguindo essa nova ideia das nossas antigas e predominantes. Até que demos esse passo com sucesso, o trabalho provavelmente continuará com essas ideias, mas elas permanecerão apenas como hipóteses especulativas. Não sabemos se nosso Universo nasceu da criação de um buraco negro, mas, neste momento, é uma possibilidade tentadora que seria tolice descartar.

Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .