Os cientistas propuseram uma nova forma de descrever os buracos negros que pode superar uma grande limitação de uma das ideias mais influentes de Stephen Hawking. A investigação apresenta uma abordagem atualizada à termodinâmica dos buracos negros que funciona mesmo quando os buracos negros mudam ao longo do tempo, oferecendo potencialmente novas informações sobre como se formam, fundem e evaporam lentamente.
Os buracos negros são alguns dos objetos mais extremos do universo conhecido. Eles comprimem uma enorme quantidade de massa em uma área incrivelmente pequena, criando uma força gravitacional tão intensa que nem mesmo a luz consegue escapar. Para compreender esses objetos cósmicos, os físicos confiam na teoria geral da relatividade de Einstein e na mecânica quântica.
No início da década de 1970, Stephen Hawking e outros investigadores descobriram ligações surpreendentes entre as leis da termodinâmica que descrevem processos familiares, como o aquecimento da água num fogão, e o comportamento dos buracos negros.
“As leis de Hawking sobre a mecânica dos buracos negros fornecem uma ligação satisfatória entre a física extrema e comum e têm sido um paradigma durante 50 anos, mas têm sérias limitações,” disse Abhay Ashtekar, professor da Universidade de Atherton e Distinguished Professor of Physics da Evan Pugh no Eberly College of Science, na Pensilvânia, e líder da equipa de investigação. “Eles foram formulados para buracos negros em estado de equilíbrio ou inalterados ao longo do tempo, mas os buracos negros estão em constante mudança, formam-se, fundem-se e eventualmente evaporam. Queríamos encontrar uma forma de superar esta limitação e estender as leis aos buracos negros fora do equilíbrio.”
Ashtekar e seus colegas propuseram um novo método para determinar a entropia de um buraco negro, uma quantidade que mede a desordem e, de acordo com a segunda lei da termodinâmica, nunca pode diminuir. Suas descobertas, publicadas em Revisão de planilhas físicas e selecionado como sugestão do editor, introduza uma medida de entropia que esteja mais intimamente relacionada ao giro e à energia de um buraco negro. Os investigadores dizem que isto poderia melhorar a compreensão dos cientistas sobre eventos dinâmicos, como a fusão e evaporação de buracos negros.
Por que o Hawking Framework precisava de uma atualização
“As leis da mecânica dos buracos negros vêm diretamente das equações de Einstein”, disse Daniel E. Paraiso, estudante de graduação do Departamento de Física da Penn State e autor do artigo. “Como não se pode ver um buraco negro, parecia que poderia haver um número infinito de maneiras de fazer um buraco negro, tornando a sua entropia infinita também. Acreditava-se também que eles apenas absorviam energia e nunca emitiam, por isso a sua temperatura era zero.”
No início, estas ideias fizeram com que os buracos negros parecessem inconsistentes com as leis familiares da termodinâmica, porque pareciam ter entropia infinita e nenhuma temperatura. Posteriormente, Hawking mudou esse quadro ao usar a mecânica quântica para demonstrar que os buracos negros podem emitir partículas e energia.
“Isso mudou o pensamento sobre as propriedades termodinâmicas dos buracos negros, de um conceito matemático descrito por equações para uma realidade física”, disse Paraiso. “Isso abriu a porta para encontrar analogias em buracos negros de entropia e temperatura usadas na termodinâmica.”
Hawking sugeriu que o tamanho do horizonte de eventos de um buraco negro, o limite além do qual nem mesmo a luz consegue escapar, é proporcional à sua entropia. Ele também mostrou que a temperatura de um buraco negro depende da combinação de sua massa e rotação.
Uma medida melhor para buracos negros dinâmicos
Segundo os pesquisadores, o problema é que a abordagem de Hawking só funciona quando o buraco negro está em equilíbrio.
“No entanto, há um problema”, disse Jonathan Shu, estudante de pós-graduação em física na Universidade Estadual da Pensilvânia e autor do artigo. “Essas analogias só funcionam realmente para um buraco negro que está em equilíbrio. Em situações dinâmicas, os horizontes de eventos podem se formar e crescer nas chamadas regiões planas do espaço-tempo, onde nada acontece. Isso os torna teleológicos – suas propriedades não podem ser determinadas apenas pela física local do buraco negro, mas dependem de previsões de eventos que podem ou não ocorrer no futuro. Portanto, a área dos horizontes de eventos não pode ser uma medida de entropia física. Buracos negros dinâmicos, se quisermos entender os buracos negros que crescem, evaporar e se fundir, precisamos de uma alternativa viável.”
A solução da equipe substitui o horizonte de eventos tradicional pelo que os físicos chamam de “horizonte dinâmico”, um conceito já amplamente utilizado em simulações computacionais de buracos negros. Ao contrário do horizonte de eventos, o horizonte dinâmico é determinado pelas propriedades do buraco negro num determinado momento, evitando as complicações de depender de eventos futuros.
“Isso nos permite estender a primeira e a segunda leis da termodinâmica aos buracos negros em desequilíbrio, superando assim as limitações do paradigma que tem sido usado há mais de meio século”, disse Ashtekar. “Podemos aplicar estas leis generalizadas para compreender melhor a evaporação dos buracos negros na teoria quântica e nas fusões de buracos negros, como as descobertas pela colaboração LIGO-Virgo-KAGRA usando ondas gravitacionais.”
A pesquisa foi apoiada pelo Penn State Atherton Professorship Program e pelo Penn State Eberly College of Science.
