• Começa com um estrondo

Pergunte a Ethan: Os buracos negros podem realmente causar energia escura?

Desde sua descoberta por observação na década de 1990, a energia escura tem sido um dos maiores mistérios da ciência. Poderiam os buracos negros ser a causa?

Principais conclusões

• Um dos maiores mistérios do Universo é a expansão acelerada do cosmos, muitas vezes descrita como uma forma desconhecida de energia apelidada de 'energia escura'.
• Embora muitas explicações potenciais tenham sido oferecidas para a existência da energia escura, ninguém ainda foi capaz de calcular seu valor ou oferecer uma razão convincente para explicar por que ela possui o valor que possui.
• Em um novo estudo apresentado em fevereiro de 2023, uma equipe de cientistas apresentou a ideia, apoiada por algumas evidências muito sugestivas, de que os buracos negros podem ser os culpados. Como a ideia se acumula?

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Apesar de tudo o que aprendemos sobre o Universo ao longo dos séculos 20 e 21, alguns fenômenos importantes ainda não foram suficientemente explicados. Sabemos que há mais matéria do que antimatéria no Universo, mas não sabemos como surgiu essa assimetria cósmica. Sabemos que para cada grama de matéria no Universo existem aproximadamente 5 gramas de matéria escura, mas não sabemos o que é matéria escura ou quais são suas propriedades. E nós sabemos que a expansão do Universo está acelerando , mas não entendemos o que está causando esse fenômeno. Demos um nome a ela - energia escura -, mas não entendemos por que ela existe e como veio a ter o valor que possui hoje.

Em um novo estudo fascinante que está bombando na Internet, uma equipe de cientistas acredita ter encontrado uma conexão entre o interior de buracos negros supermassivos e a energia escura que permeia o Universo. Já, cinco pessoas separadas - Jeremy Parker, Cameron Sowards, Dario Gnani, Jeremy Forsythe e Apoiador do Patreon Pedro Teixeira — escreveram para perguntar sobre isso, afirmando:

'Ajuda!'
“Existe alguma validade nessa teoria?”
“[N]edito sua opinião sobre isso, com certeza!”
“[Isto] parece incrível (tipo próximo prêmio Nobel) e adoraria que você avaliasse o assunto.”

Se você está aqui, está no lugar certo para um mergulho profundo. Vamos começar com o básico e partir daí!

O modelo de 'pão de passas' do Universo em expansão, onde as distâncias relativas aumentam à medida que o espaço (massa) se expande. Quanto mais distantes duas passas estiverem uma da outra, maior será o desvio para o vermelho observado no momento em que a luz for recebida. A relação redshift-distância prevista pelo Universo em expansão é confirmada em observações e tem sido consistente com o que é conhecido desde a década de 1920.

Há cerca de um século, desde as observações de 1923 que nos permitiram medir pela primeira vez as distâncias das galáxias além da Via Láctea, notamos uma relação importante: quanto mais distante uma galáxia está de nós, mais rápida ela parece ser afastando-se de nós. Quando fizemos a conexão dessas observações com a Relatividade Geral de Einstein, descobrimos que o Universo estava se expandindo. Era como se uma grande corrida cósmica estivesse acontecendo – entre a expansão inicial separando tudo e os efeitos gravitacionais de toda a matéria e energia do Universo tentando juntar tudo – onde o Big Bang foi o tiro de partida.

Por muitas gerações, físicos e astrônomos consideraram três possibilidades principais de como essa corrida terminaria.

1. uma grande crise . Após um período de rápida expansão, pode haver matéria e energia suficientes no Universo para fazer com que a expansão desacelere, pare, inverta a direção e volte a colapsar, terminando em um Big Crunch.
2. Um Grande Gelo . Nesse cenário, o Universo começa a se expandir rapidamente, mas agora não há matéria e energia suficientes para interromper e reverter a expansão. Em vez disso, ele se expande para sempre, com todas as estruturas de matéria dentro do Universo eventualmente se afastando de todas as outras.
3. Um final “Goldilocks” . Ou, muito possivelmente, o Universo fica perfeitamente equilibrado entre os dois: onde o Universo entraria em colapso novamente se houvesse um único átomo extra nele, mas, em vez disso, a taxa de expansão apenas se aproxima de zero, nunca parando ou invertendo.

E, no entanto, quando os dados definitivos chegaram na década de 1990, indicaram que o Universo estava realmente fazendo nenhum desses .

Um gráfico da taxa de expansão aparente (eixo y) versus distância (eixo x) é consistente com um Universo que se expandiu mais rápido no passado, mas onde galáxias distantes estão acelerando em sua recessão hoje. Esta é uma versão moderna, estendendo-se milhares de vezes mais longe do que o trabalho original de Hubble. Observe o fato de que os pontos não formam uma linha reta, indicando a variação da taxa de expansão ao longo do tempo. O fato de o Universo seguir a curva que segue é indicativo da presença e dominância tardia da energia escura.

Em vez disso, depois de parecer que estava a caminho de um final de “Cachinhos Dourados” por vários bilhões de anos, as galáxias distantes de repente começaram a acelerar em sua recessão umas das outras. A expansão do Universo acelerava e isso exigia um novo tipo de energia diferente de todas as formas conhecidas de matéria e radiação: algo que denominamos, para o bem ou para o mal, energia escura . À medida que nossas medições do Universo distante e em expansão melhoraram, descobrimos que a energia escura se comportava de uma maneira específica: como se fosse uma forma de energia inerente ao próprio espaço, comportando-se de forma equivalente à “constante cosmológica” de Einstein na Relatividade Geral.

Isso era além de intrigante: era desconcertante. Se houvesse uma constante cosmológica presente, ela não explicaria por que ela é diferente de zero ou como ela chegou a ter o valor que ela tem. Se tentarmos calcular a energia do ponto zero do espaço usando a teoria quântica de campos, obteremos respostas sem sentido que são aproximadamente 10 ¹²⁰ vezes muito grande. Muitos assumiram que isso é simplesmente uma evidência de que não sabemos como calcular a energia do ponto zero e que tudo deve se cancelar: igual a zero, afinal.

Mas então o que causa a energia escura? Por que ele se comporta como se fosse alguma forma de energia inerente ao próprio espaço, em vez de se diluir como a matéria ou a radiação? Embora muitas novas hipóteses tenham surgido – um novo campo, um novo parâmetro ou algum outro tipo de nova física – nenhuma evidência surgiu para apoiar qualquer uma delas.

Os destinos esperados do Universo (as três primeiras ilustrações) correspondem a um Universo onde a matéria e a energia combinadas lutam contra a taxa de expansão inicial. Em nosso Universo observado, uma aceleração cósmica é causada por algum tipo de energia escura, até então inexplicável. Se sua taxa de expansão continuar caindo, como nos três primeiros cenários, você poderá eventualmente alcançar qualquer coisa. Mas se o seu Universo contém energia escura, esse não é mais o caso, como ilustra o último caso.

Uma ideia interessante que foi amplamente explorada em meados dos anos 2000 foi a ideia de que a energia escura poderia ter surgido devido à energia de ligação (negativa) que resultou da formação de estrelas, galáxias, aglomerados de galáxias e da grande teia cósmica: a estrutura do Universo. As equações que usamos para calcular como o Universo se expande assumem que o Universo obedece ao princípio cosmológico: que é isotrópico (o mesmo em todas as direções) e homogêneo (o mesmo em todos os locais) em todos os lugares. Isso é preciso se você “manchar” a teia cósmica – a densidade média em uma região do espaço com um bilhão ou mais de anos-luz de raio é praticamente a mesma em todos os lugares – mas em escalas menores, fica muito claro que essa suposição é inválida.

Um cálculo divertido que se pode fazer, e que eu mesmo fiz em um papel naquela época, é realmente quantificar os efeitos dessa “energia de heterogeneidade” e ver como ela se comporta. Acontece que você pode quantificar:

• a energia potencial gravitacional (linha tracejada longa, abaixo),
• a energia de heterogeneidade (linha tracejada curta, abaixo),
• e a energia cinética (linha sólida, abaixo),

decorrentes de imperfeições gravitacionais, ou o afastamento da suavidade perfeita, em todos os momentos do Universo. Essas curvas não apenas nunca sobem acima do nível de ~ 0,1% em termos de como elas afetam o Universo, mas mesmo independentemente disso, elas nunca se comportam como a energia escura: como uma constante cosmológica ou alguma outra forma de energia inerente ao próprio espaço.

Que efeitos as inomogeneidades cósmicas, isto é, os desvios da “suavidade” perfeita, têm sobre a expansão cósmica? As três linhas mostram as contribuições para a densidade de energia geral da energia potencial gravitacional (topo), energia de heterogeneidade (meio) e energia cinética (parte inferior) no Universo em expansão. O eixo y é dimensionado para que “1” seja 100% da densidade de energia, e o eixo x é dimensionado para que “1” seja hoje, o passado à esquerda e o futuro à direita.

O único lugar onde havia algum “espaço de manobra” para que esse tipo de efeito ocorresse – o que chamamos de efeito de “reação reversa”, porque seria um efeito que surge quando o Universo responde de maneira oposta a algo que ocorre dentro - ocorreria onde as singularidades surgiram: no interior dos buracos negros. Esse tipo de tratamento ia além do que qualquer um sabia calcular, mas era difícil imaginar que os buracos negros tivessem tanta importância por três motivos.

• Por um lado, podemos quantificar quanta energia de ligação gravitacional existe em buracos negros , e é apenas cerca de 0,01% da quantidade necessária de energia para explicar a energia escura.
• Por outro lado, a densidade da energia escura precisa permanecer constante ao longo do tempo, mas a densidade numérica e a densidade de massa dos buracos negros diminuem com o tempo, especialmente em tempos muito tardios.
• E por outro lado, os buracos negros individuais realmente crescem com o tempo e novos buracos negros se formam continuamente, mas esse crescimento ocorre muito mais lentamente do que a taxa na qual o Universo se expande.

Embora ninguém tenha conseguido fazer um cálculo completo para “Como a energia nos buracos negros contribui para a expansão do Universo?” do jeito que conseguimos fazer para outras contribuições, não parecia um caminho muito atraente.

Este trecho de uma simulação de supercomputador mostra pouco mais de 1 milhão de anos de evolução cósmica entre duas correntes convergentes de gás frio. Nesse curto intervalo, pouco mais de 100 milhões de anos após o Big Bang, aglomerados de matéria crescem para possuir estrelas individuais contendo dezenas de milhares de massas solares cada uma nas regiões mais densas. Isso poderia fornecer as sementes necessárias para os primeiros e massivos buracos negros do Universo, bem como as primeiras sementes para o crescimento de estruturas galácticas. Mas como essas estruturas crescem ainda está sendo investigado.

É por isso que foi um choque absoluto ver a manchete aparecer, poucos dias atrás, que “ Buracos negros são a fonte de energia escura .” Ainda mais surpreendente - pelo menos para mim - foi que, quando fui no próprio artigo científico , isso foi baseado não em um cálculo teórico, mas sim em evidências observacionais, o que foi absolutamente chocante de se ver. A alegação geral é que os buracos negros, e especificamente, os buracos negros supermassivos, se acoplam à expansão do Universo nas maiores escalas cósmicas, e que a maneira específica como eles devem se acoplar poderia potencialmente explicar alguns ou mesmo todos os efeitos da energia escura que observamos.

Mas isso é uma afirmação verdadeira? E o que os leva a fazer tal afirmação? O que eles observaram, o que isso implica e como funciona a conexão buraco negro-energia escura? (Você pode dizer que eu sou cético?)

Eles começam nos lembrando disso com base no que vimos de buracos negros em todas as escalas, incluindo:

• de buracos negros de massa estelar que se fundem e emitem ondas gravitacionais,
• das observações diretas dos fótons dobrados em torno do horizonte de eventos de um buraco negro,
• e de plasma quente, gás e estrelas vistas em órbita (e a luz que eles emitem) em torno de buracos negros supermassivos nos centros das galáxias,

sabemos que os buracos negros realistas que temos no Universo normalmente giram com extrema rapidez: perto da velocidade da luz. Isso significa que suas singularidades não são apenas “massas pontuais” no interior, mas também possuem spin/momento angular, o que significa que possuem geometrias interiores complexas na Relatividade Geral: fornecidas pela solução de Kerr.

Nas proximidades de um buraco negro, 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. Ninguém sabe o que ocorre na singularidade central.

Tudo isso está bem. Mas a Relatividade Geral é notoriamente difícil de trabalhar, especialmente se o seu sistema for complicado em termos do que está em jogo no seu Universo. Por exemplo, se tudo o que você tem é um espaço vazio e imutável, sem matéria ou energia, seu espaço-tempo é simplesmente plano: o mesmo espaço-tempo que temos na Relatividade Especial, sem efeitos gravitacionais. Se você colocar uma massa pontual que não gira, obtém o espaço-tempo para um buraco negro com um horizonte de eventos esférico: um buraco negro de Schwarzschild. Se você colocar uma massa pontual que gira, obterá o buraco negro de Kerr mencionado acima (e ilustrado acima). E se você tentar colocar uma segunda massa pontual no caso rotativo ou não rotativo, as equações se tornarão insolúveis; você só pode aproximá-los usando técnicas numéricas.

• A solução do “espaço plano e vazio” foi descoberta por Hermann Minkowski (professor de física de Einstein!) em 1908.
• A solução da “massa pontual não rotativa” foi descoberta por Karl Schwarzschild em 1916: apenas alguns meses depois de Einstein introduzir a Relatividade Geral em sua forma final.
• A solução da “massa pontual rotativa” foi descoberta por Roy Kerr (que ainda está vivo em 2023!) Em 1963, e que muitos acreditam que deveria ter ganhado uma parte do Prêmio Nobel concedido em 2020 para buracos negros.
• E o fato de que “duas massas” não podem ser resolvidas, exceto por meio de técnicas de aproximação numérica, é um fenômeno bem conhecido há gerações.

Se isso ensina alguma coisa, é que a Relatividade Geral é muito difícil. Ainda hoje, existem apenas alguns punhados de soluções exatas.

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.

Uma das soluções exatas que foram descobertas é para um Universo com uma constante cosmológica: o equivalente à energia escura. (É conhecida como a solução de Sitter.) Outra é para um Universo uniformemente preenchido com matéria, radiação e qualquer outra forma de energia: a solução genérica para um Universo em expansão (ou contração). (É conhecida como a solução Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker.)

Agora, aqui está um fato divertido (ou não tão divertido): você pode combinar as soluções de “massa pontual” e “constante cosmológica” e obter um espaço-tempo conhecido como Schwarzschild-de Sitter. Você também pode colocar as soluções de “massa pontual rotativa” e “constante cosmológica” juntas para obter uma solução de Kerr-de Sitter.

Mas vivemos em um universo em expansão com uma constante cosmológica, matéria e radiação, e precisamos da solução completa de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker, e gostaríamos de combiná-la com a solução de Kerr, incorporando uma massa pontual rotativa dentro dela. Isso é algo que realmente não sabemos como fazer: não temos uma solução exata para isso. Mas é exatamente disso que trata o novo artigo: tentar fazer essa conexão de maneira razoável e consistente e vincular o crescimento de buracos negros realistas (Kerr) à expansão geral do Universo, mesmo arbitrariamente longe do buraco negro. próprio buraco.

Se você começar com um buraco negro inicial quando o Universo tinha apenas 100 milhões de anos, há um limite para a taxa na qual ele pode crescer: o limite de Eddington. Ou esses buracos negros começam maiores do que nossas teorias esperam, se formam antes do que imaginamos, ou crescem mais rápido do que nosso entendimento atual permite atingir os valores de massa que observamos. Ainda temos muito a aprender sobre como os buracos negros supermassivos se formam e crescem ao longo do tempo cósmico.

Como você faz isso? O abordagem que os autores adotam é o seguinte.

• Eles observam várias amostras de galáxias elípticas ao longo do tempo cósmico: galáxias próximas (modernas), galáxias de aproximadamente 6,6 bilhões de anos atrás, galáxias de aproximadamente 7,2 bilhões de anos atrás e galáxias de aproximadamente 9,6 bilhões de anos atrás.
• Eles assumem que existe uma relação universal entre a massa do buraco negro central e a massa das estrelas dentro de uma galáxia, que pode evoluir ao longo do tempo cósmico, mas deve ser universal em qualquer momento específico.
• Em seguida, eles usam seu modelo de “acoplamento cosmológico”, assumindo que existe uma relação entre a massa de um buraco negro em qualquer momento cósmico específico (ou, mais precisamente, redshift) e a massa do buraco negro no momento em que “se torna acoplado cosmicamente” à taxa de expansão, para determinar se (e, em caso afirmativo, como) o parâmetro de acoplamento, k , tem o mesmo valor ao longo do tempo cósmico.

Se k = 0, o valor mínimo permitido, então não há acoplamento e a massa do buraco negro que você infere não muda com o tempo nem afeta a expansão cósmica.

Se k = 3, então o acoplamento está no valor máximo permitido, e a massa do buraco negro aumenta com o cubo da razão de redshift, e o buraco negro age como se causasse energia escura.

E se k está em algum lugar entre esses valores, então a massa do buraco negro cresce, mas mais lentamente do que no caso máximo, e o buraco negro se comporta como algo que contribui para a expansão do Universo, mas nem como matéria nem como energia escura.

Eles aproveitam as várias amostras que escolheram e afirmam que, se encontrarem a mesma taxa de acoplamento, k , em todas as diferentes amostras, então esta imagem é válida e permite-nos determinar observacionalmente como os buracos negros contribuem para a expansão do Universo.

As diferentes amostras de galáxias elípticas e o valor inferido de “k” para as várias galáxias amostradas sob as hipóteses de Farrah et al. (2023) grupo. Embora eles achem que k = 3, consistente com um acoplamento cósmico que afeta o Universo em expansão da mesma forma que a energia escura, esse resultado não é “99,98%” certo, como os números brutos podem fazer você acreditar.

Vejam só, como você pode ver acima , eles descobrem que k parece que é 3 em todas as amostras e, portanto, os buracos negros se acoplam cosmicamente à expansão do Universo e se comportam como energia escura. A noção de que os buracos negros não são acoplados cosmicamente, o que é k = 0, é desfavorável no nível de 99,98%, ou o equivalente à significância estatística de 3,9-σ. Na física e na astronomia, 5-σ é o “padrão ouro”, portanto, não é um palpite para os padrões estatísticos, mas é altamente sugestivo.

Se, isto é, você acredita. Você?

A explicação alternativa – que vou apresentar aqui para sua consideração – é que esse método é 100% infundado. É possível que k = 0, que não há acoplamento, e que o que realmente está acontecendo é que esses buracos negros estão crescendo por processos puramente astrofísicos: o infall e o acréscimo de matéria ao longo do tempo, bem como de fusões e atos de canibalismo galáctico. Os autores estão assumindo a existência de um acoplamento que não existe e atribuindo a evolução percebida das proporções entre buracos negros e massas estelares a um acoplamento, quando o que está acontecendo é que essas galáxias e seus buracos negros estão evoluindo. Como estamos apenas medindo cada galáxia em um 'instantâneo' no tempo, não temos como saber como qualquer objeto individual está evoluindo, e esse método específico é exatamente como os autores do artigo estão enganando a si mesmos e, por extensão, qualquer um que acredite eles.

Esta visão de cerca de 0,15 graus quadrados do espaço revela muitas regiões com grande número de galáxias agrupadas em aglomerados e filamentos, com grandes lacunas, ou vazios, separando-as. Cada ponto de luz não é uma galáxia, mas um buraco negro supermassivo, revelando o quão onipresentes são esses objetos cósmicos. Esta região do espaço é conhecida como ECDFS, uma vez que capta a mesma porção do céu visualizada anteriormente pelo Extended Chandra Deep Field South: uma visão pioneira de raios-X do mesmo espaço. Os primeiros buracos negros supermassivos observados são mais “adultos” do que esperávamos, mas ainda não entendemos como esses buracos negros crescem ao longo do tempo cósmico, e isso não é um convite para explicá-lo por qualquer mecanismo que você possa imaginar. acima.

Mas não estou aqui para perguntar no que você acredita; esta coluna se chama “Pergunte ao Ethan” e (pelo menos alguns) você me perguntou, então vou lhe dizer o que penso.

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Isso é o que eu chamo de “balanço”. Como em: “Esse é um cenário extraordinariamente improvável, mas olhe para esta reivindicação, indo em frente de qualquer maneira, e se ninguém os questionar, eles podem se safar.”

Acho que esta é uma via de pesquisa, para realmente descobrir se e como os buracos negros realmente se acoplam à expansão cósmica, que deve continuar a ser explorada. Acho muito improvável, mas não 100% impossível, que realmente exista uma conexão entre o interior dos buracos negros e a expansão cósmica externa.

Mas acho que a suposição padrão deveria ser que esses buracos negros estão realmente se comportando como qualquer outra massa no Universo se comporta, e que essa abordagem empírica de “Vamos medir as massas de buracos negros supermassivos e estrelas em galáxias elípticas e use isso para inferir o acoplamento cosmológico” encobre totalmente a grande questão astrofísica que deveria ser investigada: como esses buracos negros crescem e evoluem ao longo do tempo cósmico? Até que você saiba essa resposta, você está atribuindo um efeito medido ao que pode ser a causa totalmente errada.

É uma ideia interessante e que não posso dizer que esteja definitivamente errada. Mas, apesar da afirmação de “0,02% de chance de ser um acaso”, eu definitivamente apostaria contra isso não apenas como sendo a explicação para a energia escura, mas também como qualquer tipo de acoplamento cosmológico significativo.

Envie suas perguntas do Ask Ethan para começa com abang no gmail ponto com !

(Nota do autor: ES gostaria de esclarecer que os autores deste estudo investigou possíveis mecanismos astrofísicos para o crescimento da massa do buraco negro por acréscimos e fusões, e foram incapazes de explicar o crescimento de massa observado através dos canais explorados.)

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