Preparados para a viagem? – Buraco Negro de 5 dimensões pode quebrar a Relatividade Geral

Corda de buracos negros.
Crédito: Pau Figueras, Markus Kunesch & Saran Tunyasuvunakool; University of Cambridge

Se vocês acham que o tema das ondas gravitacionais já é complicado o suficiente para entender de pronto, se preparem, apertem os cintos e vamos embarcar nessa outra viagem: o buraco negro de 5 dimensões!
Preparados? Então vamos!

Pesquisadores mostraram como a forma bizarra de um buraco negro poderia fazer com que a Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein, um dos fundamentos da física moderna se quebrasse por completo. Contudo, um objeto desse tipo só poderia existir num incrível universo com cinco ou mais dimensões.

Os pesquisadores da Universidade de Cambridge e de Queen Mary em Londres, simularam com sucesso um buraco negro com uma forma parecida com um anel muito fino, que cria uma série de bulbos, ligados por cordas que se tornam cada vez mais finas com o passar do tempo. Eventualmente essas cordas tornam-se tão finas que elas acabam se partindo numa série de mini-buracos negros; é similar a um fino fluxo de água que se quebra e forma várias gotas.

Buracos negros na forma de anel foram, digamos, “descobertos” por físicos teóricos em 2002, mas essa é a primeira vez que suas dinâmicas foram simuladas com sucesso usando supercomputadores. Se esse tipo de buraco negro se formar, ele levaria ao aparecimento de algo conhecido como “singularidade nua”, o que faria com que as equações da Relatividade Geral se quebrassem. Os resultados foram publicados na revista Physical Review Letters.

A relatividade geral é a base atual do nosso entendimento da gravidade: tudo, desde a estimativa da idade das estrelas no universo, até aos sinais de GPS que você recebe constantemente no seu celular, é baseado nas equações de Einstein. Em parte, a teoria nos diz que a matéria distorce o espaço-tempo ao redor, e que o que nós chamamos de gravidade é o efeito dessa distorção. Em 100 anos desde que foi publicada, a relatividade geral passou por todos os testes que foram impostos, mas uma das limitações da teoria é a existência de singularidades.

Uma singularidade é um ponto onde a gravidade é tão intensa que o espaço, o tempo e as leis da física se quebram, ou seja, param de funcionar. A relatividade geral prevê que singularidades existem no centro dos buracos negros, e que elas são circundadas por um horizonte de eventos, um ponto sem volta, onde a força gravitacional se torna tão forte que escapar é impossível, significando que elas não podem ser observadas do lado de fora.

“Como as singularidades ficam escondidas além do horizonte de eventos, elas não causam problema e a relatividade geral funciona bem – a Conjectura da Censura Cósmica diz que esse é sempre o caso”, disse Markus Kunesch, coautor do estudo, um estudante de doutoramento no Departamento de Física Teórica e Matemática Aplicada da Universidade de Cambridge. “Enquanto essa censura é válida, nós podemos tranquilamente prever o futuro fora dos buracos negros. Pois, em última análise, o que nós estamos tentando fazer na física é prever o futuro dado que conhecemos o estado do universo atual”.

Mas, e se uma singularidade existir fora de um horizonte de eventos? Se isso acontecer, não somente seria visível de fora, mas representaria um objeto que colapsou numa densidade infinita, um estado que faz com que as leis da física parem de funcionar. Físicos teóricos criaram essa hipótese e a chamam de singularidade nua, que poderia existir em dimensões maiores.

“Se as singularidades nuas existirem, a relatividade geral para de funcionar”, disse Saran Tunyasuvunakool, coautor do estudo e também um estudante de doutoramento do DAMTP. “E se a relatividade geral parasse de funcionar, tudo ficaria de cabeça para baixo, pois perderíamos o poder de previsão, e ela já não poderia ser considerada uma teoria independente para explicar o universo”.

Nós pensamos no universo como ele existindo em 3 dimensões espaciais, mais a quarta dimensão, que é o tempo, e tudo isso nós conhecemos como espaço-tempo. Mas em ramos da física teórica, como a teoria das cordas, o universo poderá ter até 11 dimensões. Dimensões adicionais poderiam ser grandes e expansivas, ou poderiam ser curvas, minúsculas e difíceis de serem identificadas. Como o ser humano só pode perceber diretamente três dimensões, a existência de dimensões extras só podem ser inferidas através de experimentos de energia muito elevada, como aquelas conduzidas no LHC.

A teoria de Einstein não diz quantas dimensões existem no universo, por isso os físicos teóricos têm estudado a relatividade geral em dimensões maiores para ver se a censura cósmica se mantém. A descoberta dos buracos negros em forma de anel em cinco dimensões leva os astrônomos para a hipótese de que ela poderia parar de funcionar e dar origem a uma singularidade nua.

O que os pesquisadores de Cambridge junto com o coautor Pau Figueras, da Universidade Queen Mary em Londres, descobriram é que se o anel é fino o suficiente, ele pode levar à formação de singularidades nuas.

Usando o supercomputador COSMOS, os pesquisadores foram capazes de realizar uma simulação completa da teoria de Einstein em dimensões elevadas, permitindo não somente confirmar que esses anéis negros são instáveis, mas também identificar seu eventual destino final. Na maior parte do tempo, um anel negro colapsa de volta numa esfera, de modo que a singularidade estaria contida dentro do horizonte de eventos. Somente um anel negro muito fino se torna suficientemente instável já que eles formam bulbos ligados por cordas cada vez mais finas, eventualmente se rompendo e formando a singularidade nua. Novas técnicas de simulações e códigos computacionais foram necessários para se poder lidar com essas formas extremas.

“Quanto melhor simularmos a teoria da gravidade de Einstein em dimensões superiores, mais fácil será ajudarmos com novas técnicas computacionais avançadas – nós estamos levando ao limite do que podemos fazer com a teoria de Einstein num computador”, disse Tunyasuvunakool. “Mas se a censura cósmica não se mantiver nas dimensões maiores, talvez tenhamos que pensar no que há de especial num universo de quatro dimensões para manter a censura funcionando”.

A Conjectura da Censura Cósmica é esperada como sendo verdade no nosso universo de quatro dimensões, mas caso seja refutada, uma maneira alternativa de explicar o universo deve ser identificada. Uma possibilidade é a gravidade quântica, que aproxima as equações de Einstein muito longe de uma singularidade, mas também fornece uma descrição da nova física perto da singularidade.

Fonte: Science daily