• Começa com um estrondo

Não podemos evitar uma singularidade dentro de cada buraco negro

Sim, 'as leis da física quebram' nas singularidades. Mas algo muito estranho deve ter acontecido para que os buracos negros não os possuíssem.

Principais conclusões

• De acordo com a Relatividade Geral, dentro de um buraco negro deve haver uma região de densidade infinita em seu centro: comumente chamada de singularidade.
• Mas as singularidades são patológicas em termos matemáticos: é como se você dividisse por zero e tudo ficasse mal definido.
• No entanto, existem algumas razões muito convincentes, fundamentais para a própria física, para pensar que uma singularidade é inevitável dentro desses monstros. Pode não haver saída.

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É fácil pensar na ideia de uma singularidade e descartá-la. Afinal, tudo o que conhecemos em física, em nível fundamental, vem em pedacinhos quantizados: partículas e antipartículas com uma quantidade fixa e finita de energia inerente a cada uma delas. Não importa quais truques você use, há certas propriedades quânticas que sempre são conservadas e nunca podem ser criadas ou destruídas, nem em nenhuma interação que já foi observada, medida ou mesmo computada. Coisas como carga elétrica, momento, momento angular e energia são sempre conservadas, em todas as circunstâncias, assim como inúmeras outras propriedades.

E, no entanto, dentro de um buraco negro, a matemática da Relatividade Geral é muito clara: toda a matéria e energia que vai para formá-lo, não importa como seja inicialmente configurado, vai acabar colapsado em um único, zero ponto bidimensional (se não houver momento angular líquido) ou esticado em um anel unidimensional infinitamente fino (se houver 'spin' ou momento angular presente). O comediante Steven Wright até disse brincando: “Os buracos negros são onde Deus divide por zero” e, em certo sentido, isso é verdade.

Enquanto muitos esperam que a gravidade quântica nos salve da inevitabilidade de uma singularidade, muitos não acham que isso seja possível, por boas razões. Eis por que uma singularidade no centro de cada buraco negro pode ser completamente inevitável.

Se você começar com uma configuração fixa e estacionária de massa, e não houver forças ou efeitos não gravitacionais presentes (ou todos forem insignificantes em comparação com a gravidade), essa massa sempre inevitavelmente entrará em colapso em um buraco negro. É uma das principais razões pelas quais um Universo estático e não em expansão é inconsistente com a Relatividade Geral de Einstein.

Em princípio, como Einstein percebeu pela primeira vez, se tudo o que você tem é alguma configuração de matéria que começa distribuída em algum volume (sem rotação ou movimentos iniciais), o resultado é sempre o mesmo: a atração gravitacional reunirá toda essa matéria até ele se reduz a um único ponto. Em torno desse ponto, dependendo de quanta massa/energia existe, formará uma região do espaço conhecida como horizonte de eventos: um volume de dentro do qual a velocidade de escape, ou a velocidade que você precisa viajar para escapar de a atração gravitacional desse objeto seria maior que a velocidade da luz.

Essa “solução” para a equação de Einstein foi elaborada em detalhes pela primeira vez por Karl Schwarzschild e representa a configuração conhecida como buraco negro não rotativo (ou Schwarzschild). Por muitos anos, astrônomos e físicos se perguntaram se esses objetos eram apenas esquisitices matemáticas e talvez até patologias previstas pela Relatividade Geral, ou se correspondiam a objetos reais que estavam em algum lugar dentro deste Universo.

A história começou a mudar nas décadas de 1950 e 1960 com o trabalho do Prêmio Nobel Roger Penrose, cujo trabalho pioneiro demonstrou como os buracos negros (e seus horizontes de eventos) podem se formar a partir de uma configuração inicial que não tinha antes. Este foi o trabalho pelo qual Penrose, merecidamente, recebeu o Prêmio Nobel, e deu início a uma proverbial tempestade de pesquisa de buracos negros.

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 ligada a ele inevitavelmente encontrará a singularidade central. Uma vez que um horizonte de eventos se forma, o desenvolvimento de uma singularidade central não é apenas inevitável, é extremamente rápido.

Se os buracos negros pudessem se formar de forma realista dentro do nosso Universo, isso significa que deveríamos ser capazes de fazer duas coisas com eles.

1. Deveríamos ser capazes de calcular sob quais circunstâncias físicas eles podem se formar e, portanto, onde esperamos encontrá-los e quais assinaturas eles devem fornecer.
2. E então, devemos ser capazes de realmente sair e encontrá-los, detectar suas assinaturas e até mesmo medir propriedades fundamentais sobre eles, se nossa tecnologia chegar a esse ponto.

Para o primeiro, tudo o que você realmente precisa é massa suficiente concentrada em um determinado volume de espaço. Isso pode ocorrer porque você tem uma coleção de matéria de densidade relativamente baixa, mas que ocupa espaço suficiente para que, quando você a olha como um todo, ela inevitavelmente colapsar em uma singularidade central: um buraco negro de colapso direto. Você também pode ter um buraco negro surgindo da implosão do núcleo de uma estrela massiva o suficiente: em uma supernova de colapso do núcleo, por exemplo, onde o núcleo é massivo o suficiente para colapsar em um buraco negro. Ou você pode ter vários objetos massivos e densos, como remanescentes estelares, como estrelas de nêutrons, se fundindo e cruzando um limiar de massa crítica, onde se tornarão um buraco negro. Estas são três das maneiras mais comuns pelas quais o Universo poderia realmente criar um buraco negro.

Descoberto em 1964 como uma fonte emissora de raios-X consistente com um objeto estelar orbitando um buraco negro, Cygnus X-1 representa o primeiro candidato a buraco negro conhecido na Via Láctea. Cygnus X-1 está localizado perto de grandes regiões ativas de formação de estrelas na Via Láctea: precisamente o local esperado para encontrar um binário de buraco negro emissor de raios-X.

No lado observacional, existem muitas assinaturas diferentes que um buraco negro emite. Se um buraco negro é membro de um sistema binário, onde outra estrela o orbita de longe, podemos ver a estrela “se mover” em uma forma de hélice enquanto se move pela galáxia, revelando a presença do buraco negro apenas pela gravidade. . Se estiver no centro de uma galáxia, podemos ver outras estrelas orbitando-a diretamente. Se houver um companheiro estelar próximo a um buraco negro, então o buraco negro pode ser capaz de “roubar” ou sugar a massa do companheiro para si mesmo, e grande parte dessa massa será aquecida, acelerada e disparada em X- jatos emissores de raios. O primeiro buraco negro já detectado, Cygnus X-1 , foi encontrado exatamente a partir desta emissão de raios-X.

Também podemos detectar os efeitos que os buracos negros têm sobre a matéria circundante. Eles desenvolvem discos de acreção com fluxos dentro deles, queimando quando esses fluxos são acelerados e disparados em jatos bidirecionais. Eles podem perturbar quaisquer estrelas, planetas ou nuvens de gás que se aproximem demais deles, criando assinaturas cataclísmicas quando o fazem. Eles podem se inspirar e se fundir, criando assinaturas de ondas gravitacionais que podemos detectar diretamente, e isso aconteceu dezenas de vezes desde 2015.

E, talvez o mais famoso, eles dobram a luz de fontes de fundo que estão atrás deles, criando uma imagem do horizonte de eventos do próprio buraco negro que pode ser detectado em comprimentos de onda de rádio.

Comparação de tamanho dos dois buracos negros fotografados pela Colaboração do Event Horizon Telescope (EHT): M87*, no coração da galáxia Messier 87, e Sagitário A* (Sgr A*), no centro da Via Láctea. Embora o buraco negro de Messier 87 seja mais fácil de visualizar devido à variação lenta do tempo, aquele ao redor do centro da Via Láctea é o maior visto da Terra.

De tudo o que aprendemos de uma perspectiva teórica e observacional, podemos não apenas concluir que os buracos negros deveriam e existem, mas também medimos suas propriedades, confirmando um limite de massa inferior para eles de cerca de três massas solares. Além disso, medimos seus horizontes de eventos diretamente e confirmamos que eles têm propriedades, tamanhos, emissões de ondas gravitacionais e recursos de flexão de luz que são extremamente consistentes com o que a Relatividade Geral prevê. Os buracos negros, tanto quanto podemos dizer sobre qualquer coisa no Universo, realmente existem.

Mas o que está acontecendo dentro de seus horizontes de eventos?

Isso é algo que nenhuma observação pode nos dizer, infelizmente. São apenas as coisas que ocorrem fora do horizonte de eventos – onde a velocidade de escape dos sinais está abaixo da velocidade da luz – que podem nos alcançar em nossa localização. Uma vez que algo cruza para dentro do horizonte de eventos, existem apenas três propriedades que podem ser medidas de fora:

• a massa,
• carga elétrica,
• e momento angular total,

do buraco negro. É isso. Os astrofísicos às vezes se referem a essas três propriedades como o tipo de “cabelo” que um buraco negro pode ter, com todas as outras propriedades sendo eliminadas como consequência de o famoso teorema sem cabelo para buracos negros.

Quando um observador entra em um buraco negro não rotativo, não há escapatória: você é esmagado pela singularidade central. No entanto, em um buraco negro em rotação (Kerr), passar pelo centro do disco delimitado pela singularidade do anel pode ser, e pode ser, um portal para um novo “antiverso” onde as coisas têm propriedades bem diferentes das nossas, conhecidas Universo. Isso pode implicar uma conexão entre buracos negros em um Universo e o nascimento de outro por um buraco branco.

Mas há muito a ser aprendido observando as diferenças entre um buraco negro “quase” e um buraco negro real.

Uma anã branca, por exemplo, é uma coleção densa de átomos, muitas vezes maior em massa que o Sol, mas menor em volume que a Terra. Por dentro, em seu núcleo, a única razão pela qual não desmorona é por causa do Princípio de Exclusão de Pauli : uma regra quântica que impede que quaisquer dois férmions idênticos (neste caso, elétrons) ocupem o mesmo estado quântico na mesma região do espaço. Isso cria uma pressão – uma “pressão de degeneração” inerentemente quântica – que impede que os elétrons se aproximem além de um certo ponto, o que mantém a estrela contra o colapso gravitacional.

Da mesma forma, uma estrela de nêutrons ainda mais densa é uma coleção de nêutrons – ou em um cenário ainda mais extremo, um plasma de quark-gluon que pode envolver quarks além das espécies up-and-down de energia mais baixa – mantidas juntas pela pressão de degeneração de Pauli entre seus constituintes de partículas.

Mas em todos esses casos, há um limite de massa para a massa desses objetos antes que a gravidade se torne irresistível, colapsando esses objetos em uma singularidade central se uma reação termonuclear não destruir o objeto inteiramente antes da criação. de um horizonte de eventos.

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 segurar o remanescente estelar contra o colapso gravitacional, evitando a formação de um buraco negro. Dentro das estrelas de nêutrons mais massivas, acredita-se que exista uma forma exótica de matéria, um plasma de quark-gluon, com temperaturas subindo até ~1 trilhão (10^12) K.

Muitos se perguntam, no entanto, se não poderia haver algo dentro de um horizonte de eventos que fosse estático, estável e de volume finito: segurando-se contra o colapso completo até uma singularidade da mesma forma que uma anã branca ou estrela de nêutrons se mantém. se preparando para um colapso ainda maior. Muitos afirmam que pode haver algum tipo de forma exótica de matéria dentro de um horizonte de eventos que não vai para uma singularidade, e que simplesmente não temos como saber se isso ocorre ou não sem poder acessar as informações dentro de um buraco.

Esse argumento, no entanto, desmorona por motivos físicos. Podemos ver isso perguntando e respondendo a uma pergunta muito específica que ilumina uma característica-chave que, em última análise, leva a uma conclusão inevitável: a presença de uma singularidade no horizonte de eventos de um buraco negro. Essa pergunta é, simplesmente, a seguinte:

“Qual é a diferença, então, entre algo que não colapsa em uma singularidade central, formando um horizonte de eventos ao longo do caminho, e algo que colapsa?”

Dentro e fora do horizonte de eventos de um buraco negro de Schwarzschild, o espaço flui como uma passarela rolante ou uma cachoeira, dependendo de como você deseja visualizá-lo. No horizonte de eventos, mesmo que 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. Este espaço-tempo conserva energia, pois é invariante na tradução do tempo.

O material externo está sempre sendo atraído pela gravidade; na Relatividade Geral, lembre-se de que não é apenas que as massas se movem pelo espaço, mas que o próprio espaço é compelido a “fluir”, conforme ilustrado acima, como se estivesse se movendo como a corrente de um rio ou uma passarela em movimento, e que as partículas só podem movem-se através do espaço-tempo em relação ao movimento subjacente do próprio espaço. Mas para que todas as massas neste espaço-tempo não são atraídos para uma singularidade central, algo deve estar resistindo a esse movimento e exercendo uma força “externa” para neutralizar o movimento interno que a gravitação está tentando induzir.

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A chave é assumir uma perspectiva de física de partículas aqui: pense sobre que tipo de força a parte “interna” do objeto tem que exercer na parte “externa”. Se:

• uma força quântica como a força nuclear forte, nuclear fraca ou eletromagnética,
• uma força clássica como a Relatividade Geral,
• um efeito inerentemente quântico como a pressão de degenerescência de Pauli,
• ou uma nova força quântica como alguma teoria quântica da gravidade ainda a ser descoberta,

há um limite para a rapidez com que qualquer um desses efeitos pode se propagar: a velocidade da luz. Todas essas forças têm uma velocidade máxima na qual podem viajar, e essa velocidade nunca é maior que a velocidade da luz.

A força forte, que opera devido à existência da “carga de cor” e da troca de glúons, é responsável pela força que mantém os núcleos atômicos unidos. Essa força, governada pela troca de glúons maciços, é limitada pela velocidade da luz; de dentro do horizonte de eventos de um buraco negro, não há como uma força como essa impedir que qualquer partícula externa alcance a singularidade central.

E é aí que surge o grande problema! Se você criar um horizonte de eventos, então, de dentro dessa região do espaço, qualquer tentativa de um componente mais interno de exercer uma força em um componente mais externo se deparará com um problema fundamental: se o seu sinal de transporte de força for limitado pela velocidade da luz , então no tempo que passa de:

• quando a partícula mais interna emite o portador de força,
• o portador de força viaja para a partícula mais externa,
• e a partícula mais externa a absorve,

podemos calcular como evolui esse sistema da partícula mais interna, da partícula mais externa e do portador de força trocado entre elas.

A lição que você aprende se aplica a todos os sistemas que são limitados pela velocidade da luz, e é impressionante: no momento em que a partícula “externa” absorve a partícula portadora de força trocada entre ela e a partícula “interior”, a partícula inicialmente externa é agora mais perto da singularidade central do que a partícula inicialmente mais interna estava quando emitiu o portador de força pela primeira vez.

Em outras palavras, mesmo na velocidade da luz, não há força que uma partícula possa exercer sobre outra de dentro do horizonte de eventos para impedir sua inevitável queda na singularidade central. Somente se algum tipo de fenômeno superluminal (ou seja, taquiônico) existir dentro de um horizonte de eventos, uma singularidade central pode ser evitada.

Nas proximidades de um buraco negro, o espaço flui como uma passarela rolante ou uma cachoeira, dependendo de como você deseja visualizá-lo. Ao contrário do caso não rotativo, o horizonte de eventos se divide em dois, enquanto a singularidade central se estende em um anel unidimensional. Ninguém sabe o que ocorre na singularidade central, mas sua presença e existência não podem ser evitadas com nossa compreensão atual da física.

O que há de tão poderoso nessa análise é que realmente não importa que tipo de teoria quântica da gravidade existe em um nível mais fundamental do que a Relatividade Geral: enquanto a velocidade da luz ainda for o limite de velocidade do Universo, não há “ estrutura” que se pode fazer de partículas quânticas que não resultarão em uma singularidade. Você ainda chegará a um ponto de dimensão zero se cair em um buraco negro sem rotação e ainda será atraído para um anel unidimensional se cair em um buraco negro em rotação.

No entanto, é possível que esses buracos negros são realmente portais para um universo bebê que reside dentro deles; embora o que quer que caia seja reduzido a energia pura (com a ressalva de que pode haver quantidades quânticas que ainda são conservadas e E = mc² ainda se aplicaria), sem evidência existente em nosso Universo, fora do horizonte de eventos, para qualquer comportamento exótico que aconteceu com a(s) partícula(s) em queda do outro lado.

Da nossa perspectiva fora de um horizonte de eventos e da perspectiva de qualquer partícula que cruze para dentro de um horizonte de eventos, simplesmente não há como escapar: em um período de tempo finito e relativamente curto, qualquer matéria em queda deve terminar. em uma singularidade central. Embora a física que conhecemos realmente falha e apenas fornece previsões sem sentido na própria singularidade, a existência de uma singularidade realmente não pode ser evitada, a menos que alguma nova física selvagem e exótica (para a qual não há evidências) seja invocada. Dentro de um buraco negro, uma singularidade é praticamente inevitável.

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