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Pergunte a Ethan: O que são buracos brancos e eles realmente existem?

Na Relatividade Geral, os buracos brancos são tão matematicamente plausíveis quanto os buracos negros. Buracos negros são reais; e os buracos brancos?

Principais conclusões

• Muitas das leis da física, incluindo toda a Relatividade Geral, são simétricas tanto no tempo quanto no espaço: não importa se seus relógios andam para frente ou para trás.
• Sabemos que os buracos negros, cuja existência foi prevista matematicamente pela Relatividade Geral, são absolutamente reais, e até detectamos e medimos um grande número deles diretamente.
• Poderiam os buracos brancos, o equivalente ao tempo invertido de um buraco negro, ser tão reais quanto? E o que isso significaria para o nosso Universo se assim fosse?

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Em nosso Universo, as leis da física nos dizem todas as possibilidades do que é permitido existir, mas apenas observando, medindo e experimentando com nosso próprio Universo podemos determinar o que é verdadeiramente real. Na Relatividade Geral de Einstein, uma das primeiras possibilidades descobertas foi a de um buraco negro: uma região do espaço com tanta matéria e energia em um só lugar que, de dentro desse volume, nada, nem mesmo a luz, poderia jamais escapar. O outro lado disso é uma solução matemática igualmente possível que é o inverso de um buraco negro: um buraco branco, do qual matéria e energia emergirão espontaneamente.

Os buracos negros demonstraram, através de muitos tipos diferentes de observações, não apenas serem fisicamente reais, mas também bastante abundantes em todo o Universo. E os buracos brancos? O que eles são, e eles são fisicamente reais também? Isso é o que Kristin Houser quer saber, quando ela pergunta:

“[Eu] me deparei com uma postagem de blog aleatória sobre buracos brancos e me perguntei se você já havia escrito sobre eles? […] Aposto que qualquer coisa que você escrevesse seria muito melhor do que o que está aparecendo na página 1 do Google.”

É uma das possibilidades mais fascinantes já concebidas. Vamos dar uma olhada profunda em tudo o que sabemos.

Quando a matéria entra em colapso, ela pode inevitavelmente formar um buraco negro. Roger 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.

A ideia de buracos brancos faz muito mais sentido se você começar com sua contraparte muito mais familiar: o buraco negro. Pensado pela primeira vez no século XVIII por John Michell que se referiu a eles como “estrelas escuras”, percebeu-se que, assim como todas as massas do Universo têm uma “velocidade de escape” de sua superfície — ou seja, há uma certa velocidade que se deve atingir para escapar completamente de sua atração gravitacional — que se massa suficiente for reunida em um volume pequeno o suficiente, essa velocidade de escape atingiria ou excederia a velocidade da luz. Como nada pode se mover mais rápido do que essa velocidade, esses objetos apenas absorveriam luz e matéria, mas nunca emitiriam nada de uma certa distância: sua Horizonte de eventos .

A ideia original foi apresentada no contexto da gravidade newtoniana, mas em 1915, a Teoria Geral da Relatividade de Einstein foi lançada, substituindo a de Newton e substituindo-a por uma lei da gravidade mais abrangente. No entanto, os buracos negros persistiram: foi demonstrado que surgiram na teoria de Einstein já em 1916, e também foram descobertas versões de buracos negros com cargas elétricas e momento angular (ou seja, rotação), bem como massa. Mais uma vez, com massa suficiente em uma região do espaço, a criação de um buraco negro seria quase inevitável.

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.

Uma das coisas fascinantes que deve acontecer dentro do horizonte de eventos de um buraco negro, de acordo com as leis da relatividade, é a formação de uma singularidade. Uma singularidade - às vezes chamada de brincadeira como um lugar onde 'Deus dividido por zero' - é onde as leis da física quebram. No caso de um buraco negro, é onde as regras que descrevem o espaço e o tempo não são mais aplicáveis; é como se, naquele local, você não obtivesse nada além de bobagens para obter respostas a qualquer pergunta física que pudesse fazer ao sistema.

Independentemente da configuração inicial de matéria e energia que você tinha antes da formação de um buraco negro, uma vez que o material entra em colapso e forma um horizonte de eventos, a criação de uma singularidade não pode ser evitada. Se você tiver apenas massa em seu buraco negro, essa singularidade será um ponto, cercado por um horizonte de eventos esférico. Se o seu buraco negro também tiver momento angular (ou seja, se ele girar), essa singularidade será espalhada em um anel unidimensional: e ainda assim, as leis da física se quebram em todos os lugares ao longo desse anel, novamente dando respostas sem sentido para qualquer pergunta. envolvendo tempo ou espaço.

Mesmo que eles próprios não emitam nenhuma luz, no entanto, seus efeitos na matéria - de estrelas companheiras binárias a gás e material em queda, a fótons que são dobrados e distorcidos pela gravidade do buraco negro - revelaram sua presença por muitas décadas, culminando em um alguns anos atrás, com a imagem direta da luz curvada em torno do próprio horizonte de eventos de um buraco negro.

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. Mas dentro do horizonte de eventos, o espaço flui mais rápido do que a velocidade com que qualquer partícula quântica pode viajar: a velocidade da luz. Como resultado, todas as forças voltadas para fora não se movem para fora, mas são atraídas para dentro em direção à singularidade central. Se você invertesse o tempo, tudo fluiria para trás, dando a você um buraco branco.

Então, se isso é um buraco negro, o que é um buraco branco?

Existem duas maneiras de ver isso. Uma é simplesmente reconhecer que a Relatividade Geral é uma teoria simétrica no tempo: se você observar um sistema de matéria e energia em movimento através do tecido do espaço ao longo do tempo, não poderá dizer se o relógio está avançando ou retrocedendo. As previsões da Relatividade Geral são simétricas no tempo, o que significa que os objetos se movem, aceleram e interagem de acordo com as mesmas leis em ambos os casos.

Isso se aplica até mesmo a casos bizarros. Dois buracos negros, orbitando um ao outro de forma decaída e emitindo ondas gravitacionais, obedecem às mesmas regras físicas de dois buracos negros que orbitam um ao outro e absorvem as ondas gravitacionais de seus arredores, ficando cada vez mais distantes ao longo do tempo. Uma nuvem de matéria em contração que se fragmenta em aglomerados que eventualmente formarão estrelas obedece às mesmas regras de uma série de aglomerados de matéria em expansão que se afastam de seus pontos de origem e se difundem em uma nuvem grande e fofa.

E a matéria que colapsa para formar um horizonte de eventos e depois uma singularidade, ou seja, um buraco negro, obedece exatamente às mesmas regras de uma singularidade da qual emergem matéria e energia, bem como espaço e tempo. Considerar o caso de um buraco negro invertido no tempo é uma maneira poderosa de conceber um buraco branco.

Assim como todo o Universo localizado fora de um espelho esférico será codificado no reflexo na superfície do espelho, é possível que o que ocorre no interior de um buraco negro codifique um Universo inteiramente novo no interior. É possível que isso também seja relevante para o nosso Universo.

Outra maneira de pensar em um buraco branco não é inverter a seta do tempo, mas sim pensar no que acontece se você tratar o espaço como reversível. Antes de coçar a cabeça imaginando como tal coisa é possível, esteja ciente de que temos um análogo disso no mundo real: uma esfera esférica espelhada. Se você colocasse um espelho esférico no espaço, seria capaz de ver nele um reflexo de todo o Universo exterior, simplesmente olhando para o espelho da perspectiva certa.

Bem, o espaço-tempo dentro e fora dos horizontes de eventos de um buraco negro se comporta de forma muito análoga exatamente a essa situação. Se você considerar um buraco negro definido apenas por uma massa pontual - ou seja, um buraco negro de Schwarzschild - então, para qualquer valor de massa/energia que o buraco negro tenha, também podemos definir um raio específico (chamamos de ' R “) para o horizonte de eventos do buraco negro.

Você pode fazer todo tipo de perguntas sobre “como o espaço se comporta” a qualquer distância daquele buraco negro, e podemos chamar essa distância de “ r ' em vez de. Agora são três casos:

1. r > R , o que nos coloca fora do horizonte de eventos.
2. r = R , que nos coloca no horizonte de eventos.
3. E r < R , que nos coloca dentro do horizonte de eventos.

Uma ilustração do espaço-tempo fortemente curvado para uma massa pontual, que corresponde ao cenário físico de estar localizado fora do horizonte de eventos de um buraco negro. À medida que você se aproxima cada vez mais da localização da massa no espaço-tempo, o espaço se torna mais curvado, levando a um local de onde nem a luz pode escapar: o horizonte de eventos. O raio desse local é definido pela massa, carga e momento angular do buraco negro, pela velocidade da luz e apenas pelas leis da Relatividade Geral. Notavelmente, se você substituir “r/R” pelo inverso dele, “R/r”, você pode mapear o interior de um buraco negro no exterior e vice-versa, transformando sua solução para um buraco negro em uma para um buraco branco.

Agora, aqui está a parte complicada: inverter o espaço. Tudo o que temos a fazer é substituir r , em todos os lugares que o vemos, com seu inverso em relação ao horizonte de eventos: ℛ, que podemos definir como ℛ = R² / r .

Surpreendentemente, agora temos esses mesmos três casos, mas tudo está invertido!

1. ℛ > R , que nos coloca dentro do horizonte de eventos,
2. ℛ = R , que nos coloca no horizonte de eventos,
3. e ℛ < R , o que nos coloca fora do horizonte de eventos.

Apesar do fato de que este é agora o conjunto oposto de condições para um buraco negro, as equações que descrevem o espaço e o tempo são idênticas para ambos os casos.

O que isso significa, então, é que se fingirmos que um buraco negro é “invertido” de dentro para fora – de modo que cada ponto do interior do horizonte de eventos de um buraco negro (incluindo sua singularidade em r = 0) agora corresponde a um ponto fora do horizonte de eventos de um buraco negro (onde a singularidade agora vai para todos os lugares em r = ∞), e vice-versa — recuperamos o comportamento idêntico. A única diferença é que o que estava fora agora está dentro e o que estava dentro agora está fora; é apenas invertido. Em vez de um buraco negro, esse objeto “invertido” agora pode ser considerado um buraco branco.

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 os buracos negros em um Universo e o nascimento de outro por um buraco branco.

Uma das perguntas que os físicos costumam fazer é esta: quando algo cruza para o outro lado (ou seja, o interior) do horizonte de eventos de um buraco negro, para onde ele vai? Claro, você pode simplesmente afirmar: “Ele vai para a singularidade central do buraco negro”, mas essa é uma resposta insatisfatória, especialmente porque sabemos que as leis da física falham nessa singularidade.

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Uma possibilidade frequentemente considerada é que a singularidade pode não ser apenas um ponto para onde as coisas “vão” depois de cair em um horizonte de eventos, mas também pode ser um ponto de onde as coisas “emergem”. Em vez de ser simplesmente “o fim” da história da matéria, poderia ser “o começo” de uma história nova e diferente.

Em outras palavras, é completamente plausível que haverá eventos que correspondem a grandes quantidades de matéria e energia emergindo em um local e tempo específicos que também parecem corresponder a uma singularidade. Não apenas nosso Universo pode ter buracos negros, mas também pode haver buracos brancos: lugares onde as coisas parecem começar a partir de uma singularidade inicial. Não passa despercebido pelos físicos que, em muitos aspectos, isso parece corresponder a um evento notável que ocorreu há 13,8 bilhões de anos: o Big Bang quente.

Uma ilustração da nossa história cósmica, desde o Big Bang até ao presente, no contexto do Universo em expansão. Não podemos ter certeza, apesar do que muitos afirmam, de que o Universo começou a partir de uma singularidade. No entanto, é possível, assim como os buracos negros “acabam” em uma singularidade, que nosso Universo e seu estado inflacionário, que deu origem ao Big Bang quente, tenham surgido de uma singularidade de buraco branco.

Isso traz à tona a possibilidade fascinante de que há uma conexão entre os buracos negros e o surgimento de um novo Universo . Cada vez que nosso Universo forma um novo buraco negro, surge um Universo bebê, análogo a um buraco branco, em algum lugar do outro lado de uma singularidade?

Isso também implica que nosso Universo e nosso próprio Big Bang quente emergiram de um estado não muito diferente de um buraco branco, e isso foi possivelmente causado por um Universo anterior formando um buraco negro, do qual nosso surgimento foi o resultado?

Há um cálculo divertido que pode ser feito com apenas um pouco de esforço que sugere que essa ideia pode ser levada a sério. Se você somasse toda a matéria e radiação dentro do Universo observável – todos os átomos, todos os buracos negros, toda a matéria escura, todos os fótons e todos os neutrinos – você obteria um valor para a “massa” efetiva do Universo observável. (Afinal, se a equação mais famosa de Einstein nos diz que E = mc² , então também é verdade que m = E/c² , para que possamos chegar a um valor de massa equivalente para todas as coisas que possuem energia.) E se você imaginar que toda essa massa foi criada para criar um buraco negro, você poderia calcular qual o raio esperado para um buraco negro com um horizonte de eventos com um equivalente em massa do que está dentro do nosso universo observável.

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. Nosso próprio Universo observável tem matéria e energia suficientes dentro dele que, se calculássemos o tamanho de um horizonte de eventos com uma massa equivalente a esse valor, seria de 16,5 bilhões de anos-luz de raio: cerca de um terço do real medido valor.

A resposta que você obtém para 'Qual seria o tamanho do horizonte de eventos de um buraco negro com o equivalente em massa de toda a matéria e radiação dentro do Universo observável?' é um número notável: cerca de 16,5 bilhões de anos-luz. Isso é cerca de um terço do raio real até a borda do Universo observável: 46,1 bilhões de anos-luz. Na verdade, se não fosse pela presença de energia escura – se tivéssemos mais matéria normal, matéria escura, neutrinos ou fótons no lugar da energia escura – esses dois valores seriam iguais.

Embora não observemos nenhuma evidência de buracos brancos em nosso Universo, o fato de termos um Big Bang e o fato de termos buracos negros em nosso Universo é bastante consistente com a ideia de que existe um “buraco branco” no planeta. outra extremidade de cada buraco negro que já foi criado.

Na verdade, indo muito fundo nas ervas daninhas, se você perguntar o que acontece quando você passa pelo horizonte de eventos externo de um buraco negro em rotação, verifica-se que o que você experimenta se parece muito com o que acreditamos que nosso Universo experimentou pouco antes do início do quente Big Bang: um período de expansão exponencial, muito semelhante ao que hoje conhecemos como inflação cósmica.

Do lado de fora de um buraco negro, toda a matéria em queda emite luz e é sempre visível, enquanto nada por trás do horizonte de eventos pode sair. O horizonte de eventos de um buraco negro em rotação deveria depender apenas de sua massa e rotação, mas ainda não descobrimos como (ou se) o buraco negro em rotação tem um impacto geral na expansão do Universo: um problema ainda não resolvido questão dentro da Relatividade Geral.

Mas os buracos brancos realmente existem? A verdade é que nunca vimos um e não esperamos encontrar um em nosso Universo. Os horizontes de eventos, infelizmente, são muito bons em “esconder” o que quer que ocorra do outro lado deles. Pode haver algo muito interessante nos locais centrais dentro de cada buraco negro em nosso Universo, mas nunca poderemos acessá-los. Pode ter havido algo muito interessante ocorrendo em tudo o que deu origem ao nosso Universo antes do início da inflação cósmica e suas consequências: o Big Bang quente, mas não temos como obter nenhuma informação sobre esse tempo.

A verdade sóbria, por mais que possamos detestá-la, é que a quantidade de informação presente no Universo é finita e nos torna incapazes de reconstruir o que está acontecendo (ou o que aconteceu) no “outro lado” desses eventos. Vale a pena ter em mente que a Relatividade Geral admite os buracos brancos como uma possibilidade igual aos buracos negros, mas que apenas a evidência observacional de buracos negros foi encontrada em nosso Universo. Embora a matemática possa lhe dizer as possibilidades do que pode ocorrer, apenas observações, medições e experimentos podem lhe dizer o que ocorre dentro do Universo. Os buracos brancos continuam sendo uma possibilidade intrigante, mas sua existência, neste momento, só pode ser considerada especulativa, na melhor das hipóteses.

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