Um buraco negro é um playground de física. Este é o lugar para observar e testar as idéias e conceitos mais bizarros e fundamentais do campo da física. No entanto, hoje não há como observar diretamente os buracos negros em ação; essas formações não emitem luz ou raios-X, que podem ser detectados por telescópios modernos. Felizmente, os físicos encontraram maneiras de simular as condições de um buraco negro em um laboratório e, ao criar análogos de buracos negros, estão começando a resolver os mistérios mais surpreendentes da física.
Jeff Steinhauer, pesquisador do Departamento de Física do Instituto de Tecnologia de Israel, recentemente atraiu a atenção de toda a comunidade da física ao anunciar que estava usando um análogo de um buraco negro para validar a teoria de Stephen Hawking de 1974. Esta teoria afirma que os buracos negros emitem radiação eletromagnética conhecida como radiação Hawking. Hawking sugeriu que essa radiação é causada pelo aparecimento espontâneo de um par partícula-antipartícula no horizonte de eventos, como é chamado o ponto na borda de um buraco negro, além do qual nada, nem mesmo a luz, pode escapar. De acordo com a teoria de Hawking, quando uma das partículas cruza o horizonte de eventos e é capturada por um buraco negro, a outra é lançada ao espaço. O experimento de Steinhower foi a primeira demonstração dessas flutuações espontâneas,que confirmam os cálculos de Hawking.
Os físicos alertam que este experimento ainda não confirma a existência da radiação Hawking em buracos negros astronômicos, já que o buraco negro de Steinhauer não é exatamente o que podemos observar no espaço. Fisicamente, ainda não é possível criar campos gravitacionais poderosos que formem buracos negros. Em vez disso, o analógico usa som para imitar a capacidade de um buraco negro de absorver ondas de luz.
“Essa onda sonora é como tentar nadar contra a corrente de um rio. Mas o rio corre mais rápido do que você nada”, diz Steinhauer. Sua equipe resfriou a nuvem de átomos a quase zero absoluto, criando o chamado condensado de Bose-Einstein. Ao fazer o gás fluir mais rápido do que a velocidade do som, os cientistas criaram um sistema do qual as ondas sonoras não podem sair.
Steinhauer publicou suas observações no início de agosto em um artigo na revista Nature Physics. Seu experimento é importante não apenas porque tornou possível observar a radiação Hawking. Steinhauer afirma ter visto as partículas emitidas pelo buraco negro sônico e as partículas dentro dele "se enredar". Isso significa que duas partículas ao mesmo tempo podem estar em vários estados físicos, como um nível de energia, e que conhecendo o estado de uma partícula, podemos saber imediatamente o estado da outra.
O conceito de análogo de buraco negro foi proposto na década de 1980 por William Unruh, mas não foi criado em condições de laboratório até 2009. Desde então, cientistas de todo o mundo têm criado análogos de um buraco negro, e muitos deles estão tentando observar a radiação Hawking. Embora Steinhauer tenha sido o primeiro pesquisador a ter sucesso nessa frente, os sistemas analógicos já estão ajudando os físicos a testar as equações e os princípios que há muito vêm sendo aplicados a esses sistemas teóricos, mas apenas no papel. Na verdade, a principal esperança dos análogos dos buracos negros é que eles possam ajudar os cientistas a superar um dos maiores desafios da física: combinar a gravidade com os princípios da mecânica quântica que fundamentam o comportamento das partículas subatômicas, mas ainda não são compatíveis com as leis. gravidade.
Embora os métodos usados sejam muito diferentes, o princípio é o mesmo para todos os análogos de um buraco negro. Cada um tem um ponto que, como o horizonte de eventos, não pode ser cruzado por nenhuma onda usada no lugar da luz, porque a velocidade necessária é muito alta. Aqui estão algumas das maneiras pelas quais os cientistas simulam buracos negros em laboratório.
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Vidro
Em 2010, um grupo de físicos da Universidade de Milão causou impacto na comunidade científica, alegando ter observado a radiação Hawking de um análogo de buraco negro, que foi criado usando pulsos de laser de alta potência direcionados ao vidro de sílica. Embora a afirmação dos cientistas tenha sido questionada (o físico William Unruh disse que a radiação que eles notaram é muito mais intensa do que a radiação de Hawking calculada e que está indo na direção errada), seu análogo ainda é um método muito interessante para modelar o horizonte de eventos.
Este método funciona da seguinte maneira. O primeiro impulso direcionado ao vidro de quartzo é forte o suficiente para alterar o índice de refração (a taxa na qual a luz entra na substância) dentro do vidro. Quando o segundo impulso atinge o vidro, devido à mudança no índice de refração, ele desacelera até uma parada completa, criando um "horizonte" além do qual a luz não pode penetrar. Esse tipo de sistema é o oposto de um buraco negro, do qual nenhuma luz pode escapar, e por isso foi chamado de "buraco branco". Mas, como diz Stephen Hawking, os buracos brancos e negros são basicamente a mesma coisa, o que significa que devem exibir as mesmas propriedades quânticas.
Outro grupo de pesquisa em 2008 mostrou que um buraco branco poderia ser criado de maneira semelhante usando fibra óptica. Em outros experimentos, o trabalho está em andamento para criar o mesmo horizonte de eventos usando diamante, que é menos destruído pela radiação laser do que o silício.
Polaritons
A equipe liderada por Hai Son Nguyen demonstrou em 2015 que um buraco negro sônico pode ser criado usando polaritons - um estranho estado da matéria denominado quasipartícula. É formado quando os fótons interagem com as excitações elementares do meio. O grupo de Nguyen criou polaritons focalizando um laser de alta potência em uma cavidade microscópica de arseneto de gálio, que é um bom semicondutor. Dentro dele, os cientistas criaram deliberadamente um pequeno entalhe que expandiu a cavidade em um lugar. Quando o feixe de laser atingiu essa microcavidade, ocorreu a emissão de polaritons, que se precipitou para o defeito em forma de entalhe. Mas, assim que o fluxo dessas partículas excitadas atingiu o defeito, sua velocidade mudou. As partículas começaram a se mover mais rápido do que a velocidade do som, indicando que havia um horizonte,além do qual o som não pode ir.
Usando este método, a equipe de Nguyen ainda não detectou a radiação Hawking, mas os cientistas acreditam que no decorrer de novos experimentos será possível detectar oscilações causadas por partículas que saem do campo medindo mudanças na densidade de seu ambiente. Outros pesquisadores sugerem o resfriamento de polaritons em um condensado de Bose-Einstein, que pode então ser usado para simular a formação de buracos de minhoca.
Água
Observe a água escorrendo pelo ralo enquanto você toma banho. Você ficará surpreso ao saber que está olhando para algo como um buraco negro. Em um laboratório da Universidade de Nottingham, a Dra. Silke Weinfurtner simula buracos negros em uma banheira, como ela chama de um tanque retangular de 2.000 litros com um funil chanfrado no centro. A água é alimentada no tanque por cima e por baixo, o que lhe dá um momento angular, que cria um redemoinho no funil. Neste análogo aquoso, a luz substitui pequenas ondulações na superfície da água. Imagine, por exemplo, que você está jogando uma pedra neste riacho e observa as ondas irradiarem dele em círculos. Quanto mais perto essas ondas chegam do redemoinho, mais difícil é para elas se propagarem na direção oposta a ele. Em algum ponto, essas ondas param de se espalhar completamente,e este ponto pode ser considerado um análogo do horizonte de eventos. Esse análogo é especialmente útil ao simular fenômenos físicos estranhos que ocorrem em torno de buracos negros em rotação. Weinfurtner está investigando esse problema.
Ela enfatiza que este não é um buraco negro no sentido quântico; este análogo aparece à temperatura ambiente, e apenas as manifestações clássicas da mecânica podem ser observadas. “É um sistema sujo”, diz o pesquisador, “mas podemos manipulá-lo para mostrar que é resistente a mudanças. Queremos ter certeza de que os mesmos fenômenos ocorrem em sistemas astrofísicos."
