Um análogo de buraco negro pode revelar a radiação de Hawking

Um análogo de buraco negro poderá revelar-nos alguns aspetos sobre uma radiação difícil de detetar que, em teoria, é emitida por um verdadeiro buraco negro.

Em 2022, uma equipa de físicos utilizou uma cadeia unidimensional de átomos para reproduzir o horizonte de acontecimentos de um buraco negro e observou o equivalente àquilo a que chamamos radiação de Hawking: partículas geradas por perturbações nas flutuações quânticas provocadas pela rutura no espaço-tempo associada ao buraco negro.

Segundo os investigadores, o resultado pode ajudar a resolver a tensão entre dois modelos atualmente incompatíveis para descrever o Universo: a teoria geral da relatividade, que explica a gravidade como um campo contínuo denominado espaço-tempo; e a mecânica quântica, que descreve o comportamento de partículas discretas através da matemática das probabilidades.

Veja no vídeo abaixo um resumo da investigação:

Para se chegar a uma teoria unificada da gravidade quântica aplicável de forma universal, estas duas teorias, que não se misturam facilmente, terão de encontrar uma forma de coexistir.

Buracos negros e o horizonte de acontecimentos

É aqui que entram os buracos negros, talvez os objetos mais estranhos e extremos do Universo. Estes corpos de enorme massa são tão densos que, a partir de determinada distância do respetivo centro de massa, não existe qualquer velocidade no Universo que permita escapar. Nem sequer a velocidade da luz.

Essa distância, que depende da massa do buraco negro, recebe o nome de horizonte de acontecimentos. Depois de um objeto atravessar essa fronteira, só podemos especular sobre o que lhe acontece, pois nada regressa com informações cruciais sobre o seu destino. Contudo, em 1974, Stephen Hawking propôs que as interrupções nas flutuações quânticas provocadas pelo horizonte de acontecimentos originam um tipo de radiação muito semelhante à radiação térmica.

Caso esta radiação de Hawking exista, é demasiado fraca para que a consigamos detetar por enquanto. Poderemos mesmo nunca conseguir separá-la do ruído estático sibilante do Universo. Ainda assim, é possível estudar as suas propriedades criando análogos de buracos negros em laboratório.

Um análogo de buraco negro feito com átomos

Experiências deste género já tinham sido realizadas, mas, em novembro de 2022, uma equipa liderada por Lotte Mertens, da Universidade de Amesterdão, nos Países Baixos, adotou uma abordagem diferente.

Uma cadeia de átomos numa única dimensão funcionou como um percurso pelo qual os eletrões podiam «saltar» de uma posição para outra. Ao ajustar a facilidade com que esses saltos ocorriam, os físicos conseguiram fazer desaparecer determinadas propriedades, criando efetivamente uma espécie de horizonte de acontecimentos que interferia com a natureza ondulatória dos eletrões.

A equipa afirmou que o efeito deste horizonte de acontecimentos artificial gerou um aumento de temperatura compatível com as previsões teóricas para um sistema de buraco negro equivalente, mas apenas quando uma parte da cadeia se prolongava para lá do horizonte de acontecimentos.

Isto poderá significar que o entrelaçamento de partículas situadas em lados opostos do horizonte de acontecimentos é essencial para gerar radiação de Hawking.

O que a simulação revela sobre a radiação de Hawking

A radiação de Hawking simulada só apresentou características térmicas dentro de um determinado intervalo de amplitudes de salto e em simulações iniciadas com uma imitação de um tipo de espaço-tempo considerado «plano». Isto indica que a radiação de Hawking poderá ser térmica apenas num conjunto limitado de circunstâncias e quando existe uma alteração na curvatura do espaço-tempo causada pela gravidade.

Não é claro o que estes resultados significam para a gravidade quântica, mas o modelo disponibiliza uma forma de estudar o surgimento da radiação de Hawking num ambiente não afetado pela dinâmica extrema da formação de um buraco negro. Além disso, por ser tão simples, pode ser utilizado numa grande variedade de configurações experimentais, referiram os investigadores.

«Isto pode abrir uma via para explorar aspetos quântico-mecânicos fundamentais em conjunto com a gravidade e espaços-tempos curvos em vários contextos de matéria condensada», escreveram os investigadores.

A investigação foi publicada na Physical Review Research.

Uma versão deste artigo foi publicada pela primeira vez em novembro de 2022.