Análogo de Buraco negro de laboratório se comporta como Stephen Hawking previu

NASA / JPL-Caltech

Pesquisadores do Instituto de Tecnologia Technion-Israel tentaram confirmar duas das previsões mais importantes de Hawking, que a radiação hawking surge do nada e que não muda de intensidade ao longo do tempo, o que significa que está estacionária.

Em 1974, Stephen Hawking teorizou que os gigantes mais escuros gravitacionais do universo, buracos negros, não eram os engolidores de estrelas que os astrônomos imaginavam, mas que eles espontaneamente emitiam luz — um fenômeno agora chamado de radiação Hawking.

O problema é que nenhum astrônomo jamais observou a misteriosa radiação de Hawking, e como ela deve ser ser muito fraca, é possível que nunca vejam. É por isso que os cientistas hoje estão criando seus próprios buracos negros.

Pesquisadores do Instituto de Tecnologia Technion-Israel fizeram exatamente isso. Eles criaram um análogo de buraco negro usando alguns milhares de átomos. Eles estavam tentando confirmar duas das previsões mais importantes de Hawking, que a radiação hawking surge do nada e que não muda de intensidade ao longo do tempo, o que significa que está estacionária.

“Um buraco negro deve irradiar como um corpo negro, que é essencialmente um objeto quente que emite uma radiação infravermelha constante”, disse o coautor do estudo Jeff Steinhauer, professor de física do Instituto de Tecnologia Technion-Israel, ao Phys.org . “Hawking sugeriu que os buracos negros são como estrelas normais, que irradiam um certo tipo de radiação o tempo todo, constantemente. Isso é o que queríamos confirmar em nosso estudo, e fizemos.”

O horizonte de eventos

A gravidade de um buraco negro é tão poderosa que nem mesmo a luz pode escapar sua atração, uma vez que um fóton, ou partícula de luz, atravessa o ponto de não retorno, chamado horizonte de eventos. Para escapar desse limite, uma partícula teria que quebrar as leis da física e viajar mais rápido que a velocidade da luz.

Hawking mostrou que, embora nada que cruze o horizonte de eventos possa escapar, os buracos negros ainda podem emitir luz espontaneamente através do horizonte de eventos, graças à mecânica quântica e algo chamado “partículas virtuais”.

Como explicado pelo princípio de incertezade Heisenberg, até mesmo o vácuo completo do espaço está repleto de pares de partículas “virtuais” que surgem e deixam de existir. Essas partículas fugazes com energias opostas geralmente aniquilam umas às outras quase imediatamente. Mas devido à extrema atração gravitacional em um horizonte de eventos, Hawking sugeriu que pares de fótons poderiam ser separados, com uma partícula sendo absorvida pelo buraco negro e a outra escapando para o espaço. O fóton absorvido tem energia negativa e subtrai energia na forma de massa do buraco negro, enquanto o fóton fugitivo se torna radiação Hawking. Só com isso, dado tempo suficiente (muito mais tempo do que a idade do universo), um buraco negro poderia evaporar completamente.

“A teoria de Hawking foi revolucionária porque ele combinou a física da teoria quântica de campos com a relatividade geral”, a teoria de Einstein que descreve como a matéria distorce o espaço-tempo, disse Steinhauer ao Live Science. “Ainda está ajudando as pessoas a procurar novas leis da física estudando a combinação dessas duas teorias em um exemplo físico. As pessoas gostariam de verificar essa radiação quântica, mas é muito difícil em um buraco negro real porque a radiação Hawking é tão fraca em comparação com a radiação cósmica de fundo.”

Esse problema inspirou Steinhauer e seus colegas a criar seu próprio buraco negro; um mais seguro e muito menor do que o real.

Buraco negro na Terra

O buraco negro criado em laboratório foi feito de um fluxo de gás de aproximadamente 8 mil átomos de rubídio resfriados a quase zero absoluto e mantidos estáticos por um raio laser. Isso cria um misterioso estado da matéria, conhecido como condensado de Bose-Einstein (CBE), que permite que milhares de átomos ajam juntos em uníssono como se fossem um único átomo.

Usando um segundo raio laser, a equipe criou um “barranco” de energia potencial, o que fez com que o gás fluísse como água correndo por uma cachoeira, criando assim um horizonte de eventos onde metade do gás estava fluindo mais rápido do que a velocidade do som, a outra metade mais lenta. Neste experimento, a equipe estava procurando por pares de fônons, ou ondas de sons quânticos, em vez de pares de fótons, se formando espontaneamente no gás.

Um fônon na metade mais lenta poderia viajar contra o fluxo de gás, longe do barranco, enquanto o fônon na metade mais rápida ficou preso pela velocidade do gás supersônico fluindo, explicou Steinhauer. “É como tentar nadar contra uma corrente que é mais rápida do que você dá conta. [Isso é] como estar em um buraco negro, uma vez que você está dentro, é impossível alcançar o horizonte.”

Uma vez que encontraram esses pares de fônons, os pesquisadores tiveram que confirmar se estavam correlacionados e se a radiação Hawking permaneceu constante ao longo do tempo (se estava estacionária). Esse processo era complicado porque toda vez que eles tiravam uma foto do buraco negro, ele era destruído pelo calor gerado no processo. Assim, a equipe repetiu seu experimento 97 mil vezes, levando mais de 124 dias de medições contínuas para encontrar as correlações. No final, a paciência deles valeu a pena.

“Mostramos que a radiação Hawking estava estacionária, o que significa que não mudou com o tempo, que é exatamente o que Hawking previu”, disse Steinhauer.

Os pesquisadores detalharam suas descobertas em 4 de janeiro na revista científica Nature Physics.

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