Um Novo Tipo de Buraco Negro Pode Explicar A Energia Escura

O espaço-tempo pode esconder um novo tipo bizarro de buraco negro que faz com que a teoria da gravidade de Einstein falhe – e pode resolver o mistério da energia escura

Desde que tentamos descobrir a natureza da realidade, lutamos com o conceito de espaço vazio. Por volta de 400 aC, quando o antigo filósofo grego Demócrito concebeu corpos pequenos e indivisíveis chamados átomos, ele supôs que também deveria existir um vazio ao seu redor: um vácuo inexpressivo e imutável no qual eles se moviam.

Hoje, o vazio continua sendo uma ideia potente para entender o universo, mas percebemos que ele é tudo menos inexpressivo. Mais de um século atrás, a teoria da gravidade de Albert Einstein revelou que o espaço-tempo é esticado e distorcido pela matéria que contém. Mais tarde, a teoria quântica introduziu a ideia de partículas virtuais, que aparecem e desaparecem momentaneamente no vácuo, fazendo com que o nada puro pareça uma sopa intangível e borbulhante.

Isso por si só certamente teria chocado Demócrito, mas acredito que devemos ir ainda mais longe. Passei quatro décadas tentando encontrar uma maneira de combinar a teoria da gravidade de Einstein e a mecânica quântica. Essa longa jornada me levou a uma conclusão surpreendente: há outra estrutura rica escondida no vazio, que pode ser rastreada até entidades etéreas chamadas buracos negros virtuais.

A influência deles se estende por todo o cosmos, ligando o espaço-tempo de maneiras sutis que, em última análise, fazem com que a teoria de Einstein falhe – formando uma ponte entre a menor escala do reino quântico e a cósmica da gravidade. Sedutoramente, agora comecei a entender como essa propriedade oculta do espaço-tempo pode ser a fonte da energia escura, a força misteriosa que está destruindo o universo e que há muito intriga os físicos.

Para começar a desvendar tudo isso, vamos começar com os buracos negros descritos pela teoria da gravidade de Einstein,  a relatividade geral. Esses gigantes se formam quando uma estrela esgota seu combustível e sofre um colapso descontrolado. Toda a massa da estrela é sugada para um ponto de densidade infinita em torno do qual o vácuo do espaço-tempo forma um poço profundo. Disto, nem mesmo a luz pode escapar. O limite dessa região escura, chamado de horizonte de eventos, pode ser bastante grande: se o sol pudesse colapsar em um buraco negro, o horizonte seria do tamanho de uma pequena cidade.

Sabemos muito sobre buracos negros; Recentemente, tiramos fotos do exterior de um espécime, o que confirmou a forma do limite formado pelo vácuo do espaço-tempo, conforme previsto pela relatividade geral. Mas se pudéssemos olhar além do horizonte de eventos, acredito que descobriríamos que a relatividade geral se quebra e a física quântica assume o controle. Isso ocorre porque nossos princípios mais queridos da física são incompatíveis com o poço profundo previsto pela teoria de Einstein.

Paradoxos do buraco negro

A cadeia de raciocínio para isso começou em 1973, quando Jacob Bekenstein, da Universidade de Princeton, fez uma pergunta: o que aconteceria se jogássemos uma caixa de gás em um buraco negro? O gás tem entropia, uma medida da desordem decorrente das posições aleatórias de seus átomos. Então, quando a caixa desaparece no centro de densidade infinita do buraco negro, ele raciocinou, essa entropia parece estar perdida. Mas a segunda lei da termodinâmica, um dos princípios fundamentais da física, diz que a entropia não pode fazer isso.

Bekenstein sugeriu que a perda de entropia na caixa de gás foi compensada por um aumento na entropia geral do buraco negro. Quando o buraco negro engole a caixa, seu horizonte de eventos se expande para ocupar uma área maior, e ele argumentou que a entropia do buraco negro é proporcional a essa área. Mas a entropia do buraco negro de Bekenstein era intrigante de várias maneiras. Primeiro, na relatividade geral, um buraco negro é um vácuo vazio, então qual é a natureza do distúrbio? Em segundo lugar, a magnitude dessa entropia foi surpreendentemente grande. Terceiro, se um buraco negro tem entropia, então, como um pedaço de carvão quente, ele também deve ter uma temperatura e, consequentemente, irradia partículas. No entanto, de acordo com a relatividade geral, nada pode escapar de um buraco negro.

Stephen Hawking estava entre os físicos que tentaram entender tudo isso. Em 1974, ele fez uma descoberta surpreendente: quando incluímos os efeitos da teoria quântica, um buraco negro irradia. Hawking descobriu que pares de partículas virtuais surgem em torno do horizonte de eventos de um buraco negro. O alongamento do espaço-tempo lá, conforme descrito pela relatividade geral, os transforma em partículas reais. Um cai no buraco traseiro, mas o outro escapa no que é conhecido como radiação Hawking.

Infelizmente, a emoção de sua descoberta durou pouco. No ano seguinte, Hawking encontrou um problema com seu processo de radiação. Suponha que tomemos dois buracos negros com a mesma massa, mas formados a partir de estrelas compostas de diferentes tipos de átomos. A forma do espaço-tempo ao redor do horizonte seria a mesma em cada caso, e assim a radiação que emerge desse vácuo também seria a mesma. Como não podemos usar essa radiação para diferenciar as estrelas, perdemos informações para os buracos negros. Isso foi um problema porque a física funciona com base no fato de que a informação não pode ser destruída.

Desde então, teóricos como eu têm tentado desesperadamente encontrar uma maneira de a informação escapar de um buraco negro. Houve várias resoluções propostas nos últimos anos, mas acredito que a teoria das cordas oferece o caminho mais convincente a seguir. Não só pode resolver o chamado paradoxo da informação do buraco negro de Hawking, mas ponderá-lo mais profundamente me levou a algumas idéias muito intrigantes.

A teoria das cordas é a ideia de que partículas elementares pontuais são, em uma inspeção mais detalhada, objetos estendidos feitos de cordas unidimensionais (e “folhas” de dimensionalidades variadas chamadas branas). O objetivo é unificar a mecânica quântica com a gravidade em uma única teoria da gravidade quântica. Em meados da década de 1990, os teóricos das cordas mostraram que um modelo geral simplificado de um buraco negro feito de cordas e branas teria a entropia prevista por Bekenstein. Logo depois, em um trabalho feito com Sumit Das, então no Instituto Tata de Pesquisa Fundamental, na Índia, usei uma abordagem semelhante para calcular que tais objetos emitiriam radiação na taxa encontrada por Hawking. Tudo isso sugeria que estávamos no caminho certo para resolver o paradoxo da informação.

Mas ainda não tínhamos ideia sobre a forma que os buracos negros feitos de cordas assumiriam ou como exatamente eles armazenariam sua entropia. A essa altura, eu havia passado quase uma década lutando contra esse problema, apenas para me deparar com a mesma parede todas as vezes. Era geralmente assumido que as cordas só tinham efeitos na escala minúscula do comprimento de Planck (1,6 × ^10-33 centímetros), onde tanto a teoria quântica quanto a gravidade se tornam importantes. Então, como as cordas poderiam descrever um vasto buraco negro?

Na noite de 29 de maio de 1997, eu estava em um hospital vigiando minha filha recém-nascida. Para passar as horas, tentei calcular o que aconteceria se muitas, muitas cordas e branas se juntassem para formar um buraco negro. O resultado foi um choque. Seu tamanho foi enormemente ampliado pelo grande número de cordas e branas. Os buracos negros feitos de cordas elásticas estavam se comportando de maneira muito diferente dos buracos negros feitos de partículas. Quando você aperta as cordas, elas não se comprimem em uma singularidade cercada por um horizonte de eventos, como a relatividade geral nos diz, mas sim se afofam. A energia vai para esticar as cordas em emaranhados, chamados fuzzballs, que se estendem até o horizonte de eventos do buraco negro.

Mais tarde, com meu colega Oleg Lunin, então na Universidade Estadual de Ohio, descobrimos as formas reais dos buracos mais simples com base nessas ideias – trabalho que mais tarde foi estendido a todos os tipos de buracos negros por Iosif Bena na Universidade Paris-Saclay, França, e Nick Warner na Universidade do Sul da Califórnia, entre outros. Cada um desses buracos negros fibrosos pode ser organizado em uma das muitas formas de bola de penugem possíveis. Isso é semelhante à maneira como em uma caixa de gás existem muitas maneiras de organizar as moléculas de gás.

Isso parecia responder ao quebra-cabeça de onde a entropia de um buraco negro estava sendo armazenada: ela está dentro das inúmeras formas de bola de penugem que compõem cada buraco negro. Mais importante, os fuzzballs resolveram o paradoxo da informação, permitindo que as informações vazassem. No paradoxo de Hawking, a radiação aleatória sai do vácuo, mas na imagem fuzzball, a radiação é emitida da superfície fibrosa. Isso permite que as informações sejam codificadas na radiação para que não sejam destruídas.

Mas ainda havia uma questão crítica e não resolvida: como uma estrela em colapso se transforma em uma bola de penugem? De acordo com a relatividade geral, que resistiu a todos os testes lançados até agora, uma estrela em colapso deve deixar um vácuo em forma de um poço profundo, em vez de uma bola de penugem. Então, o que faz com que a teoria de Einstein falhe – abrindo caminho para uma teoria da gravidade quântica?

Como a relatividade geral falha

A resposta, vinda da teoria das cordas, revela uma estrutura secreta dentro do vácuo que muda nossa compreensão do espaço-tempo de maneira fundamental. O que se segue pode soar como uma história simples, mas a matemática e a física que sustentam essa ideia não são ficção. Foi minuciosamente examinado e é viável, teoricamente falando.

Para entender como funciona, precisamos dar uma olhada mais de perto nas partículas virtuais. Costuma-se dizer que essas contrapartes efêmeras de partículas reais surgem e desaparecem e, de fato, eu mesmo usei essa frase por conveniência. Mas, na verdade, essa não é uma boa maneira de pensar neles. A física quântica pinta toda a matéria e energia como apenas flutuações nos campos quânticos que sustentam toda a realidade. É melhor pensar em partículas virtuais apenas como distúrbios muito pequenos nesses campos. Como partículas reais, essas partículas virtuais podem ser correlacionadas umas com as outras. Por exemplo, um elétron e seu parceiro de antimatéria, o pósitron, se atraem, orbitando um ao outro como um “estado ligado”. Da mesma forma, os elétrons virtuais tendem a ocorrer mais próximos dos pósitrons virtuais, correlacionados através do estranho fenômeno do emaranhamento quântico.

Dessa forma, os estados ligados de partículas reais deixam uma marca na estrutura do espaço-tempo: uma intrincada teia de correlações virtuais. A maioria deles opera em uma escala muito pequena para ter qualquer efeito significativo nos buracos negros. Mas poderia haver outros estados ligados cujas versões virtuais afetam os buracos negros e, talvez, todo o cosmos?

Eu acredito que sim. Como vimos anteriormente, há boas razões para pensar que os buracos negros são bolas de penugem feitas de cordas. As cordas são semelhantes a partículas elementares, o que significa que também existem versões virtuais desses feixes fibrosos chamados fuzzballs virtuais – que poderíamos chamar de buracos negros virtuais. Até onde sabemos, os buracos negros podem existir em qualquer tamanho, de zero a infinito. Portanto, também existem buracos negros virtuais de todos os tamanhos possíveis. Além do mais, há um grande número deles devido à grande entropia de Bekenstein. Assim, da mesma forma que as partículas virtuais imprimem uma teia sutil de correlações através do vácuo em distâncias muito curtas, as bolas de penugem virtuais fazem o mesmo, mas em todas as distâncias possíveis, por maiores que sejam.

Essas correlações podem ser sutis, mas têm enormes implicações. Para vê-los, vamos agora aplicar essas ideias à questão que levantei anteriormente: como exatamente uma estrela em colapso forma um buraco negro?

Bem, durante esse processo, o espaço-tempo se estende. Isso significa que as correlações criadas por fuzzballs virtuais em todo o cosmos devem alterar a força de seu emaranhamento para refletir suas novas separações. Esse reajuste requer que sinais físicos sejam trocados pela região do buraco negro. Mas na área criada por uma estrela em colapso, onde o espaço-tempo está sendo radicalmente esticado, os sinais não podem se conectar sem viajar mais rápido que a luz, o que é proibido pela relatividade geral. Como resultado, as flutuações quânticas na região em forma de poço são incapazes de desenvolver as correlações necessárias para formar um vácuo estável e de baixa energia. Em vez disso, essas flutuações efetivamente amarram o espaço-tempo em nós até que ele se quebre. O resultado não é um vácuo esticado, mas uma bagunça fibrosa.

Em suma, a relatividade geral falha quando o espaço-tempo se estende muito rápido. Raciocínio semelhante sugere que a teoria de Einstein também deve falhar nas maiores extensões do universo em expansão – que é como uma estrela em colapso ao contrário. Leva muito tempo para que os sinais sejam trocados entre dois pontos no vácuo separados por bilhões de anos-luz. Então, mais uma vez, as bolas de penugem virtuais não podem imprimir o espaço-tempo com as correlações corretas entre essas distâncias. Isso significa que o cosmos não é um vácuo perfeito nessas escalas, mas carrega energia quântica extra. Quando fiz as contas em um artigo publicado em dezembro, descobri que as escalas relevantes são exatamente aquelas em que observamos os efeitos da energia escura.

A origem da energia escura

Os astrônomos postularam a energia escura pela primeira vez no final da década de 1990, quando descobriram que estrelas distantes em explosão, chamadas supernovas, eram consistentemente mais fracas do que o esperado. Eles descobriram que essas supernovas devem estar muito mais longe de nós porque o espaço intermediário estava se esticando. Em outras palavras, havia uma força misteriosa separando o universo cada vez mais rápido em seus alcances mais distantes. Para explicar isso, os cosmólogos colocaram a energia escura nas equações da relatividade geral, mas com pouca ideia sobre sua origem. Mas agora parece que a energia quântica extra gerada por fuzzballs virtuais pode estar impulsionando essa expansão.

Observações recentes reforçam ainda mais essa ideia. A tensão de Hubble é uma discrepância entre a rapidez com que o universo parece estar se expandindo e a rapidez com que esperamos que isso aconteça com base em nosso melhor modelo de cosmologia. A incompatibilidade pode ser resolvida postulando uma explosão repentina e aguda de energia escura adicional – chamada de energia escura inicial – bilhões de anos atrás, quando o universo mudou de radiação para poeira. As bolas de penugem virtuais sugerem uma explicação natural para a energia escura inicial: as equações da evolução cósmica nos dizem que um universo de poeira se expande mais rápido do que um de radiação, e quanto mais rápido o universo se expande, mais difícil é formar correlações entre as bolas de penugem virtuais. Mais uma vez, isso produz uma explosão extra de energia quântica, desta vez na transição da radiação para a poeira, que neste caso é o tamanho certo para resolver a tensão de Hubble.

Telescópios como o Dark Energy Spectroscopic Instrument estão começando a medir com precisão a energia escura e como ela pode mudar ao longo da história cósmica. Minha esperança é que em breve possamos combinar essas observações precisas com o comportamento da energia escura que emana da estrutura secreta do espaço-tempo.

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