Vórtice superfluido ajuda físicos a estudar buracos negros

Um vórtice superfluido controlado em laboratório está a ajudar os físicos a compreender melhor o comportamento dos buracos negros.

Um redemoinho produzido em hélio arrefecido até uma temperatura apenas ligeiramente superior ao zero absoluto reproduz o ambiente gravitacional destes objetos com uma precisão tão elevada que está a proporcionar conhecimentos sem precedentes sobre a forma como arrastam e deformam o espaço-tempo que os rodeia.

Um análogo de buraco negro em hélio superfluido

"A utilização de hélio superfluido permitiu-nos estudar pequenas ondas à superfície com maior detalhe e precisão do que nos nossos anteriores ensaios com água", explica o físico Patrik Švančara, da Universidade de Nottingham, no Reino Unido, que liderou a investigação.

"Como a viscosidade do hélio superfluido é extremamente reduzida, conseguimos investigar meticulosamente a interação dessas ondas com o tornado superfluido e comparar os resultados com as nossas próprias previsões teóricas."

Os buracos negros são, muito provavelmente, os objetos mais estranhos e extremos num Universo repleto de coisas muito estranhas. São também notoriamente difíceis de estudar. Não emitem qualquer radiação que possamos detetar; apenas conseguimos observar a luz proveniente da região imediatamente à sua volta. Ainda assim, existem estudos teóricos muito sólidos capazes de descrever com bastante rigor o comportamento que observamos.

Uma das formas de aprofundar o conhecimento sobre eles passa pela criação de análogos de buracos negros. Estas experiências conseguem reproduzir a teoria dos buracos negros para esclarecer outros aspetos do seu comportamento. Um dos tipos de análogo de buraco negro é um vórtice, ou redemoinho.

Qualquer material que se aproxime o suficiente de um buraco negro começa a rodar à sua volta e, depois, cai sobre ele, tal como a água que circula e desce por um ralo.

A comparação é tão apropriada que os cientistas já construíram vórtices de água para estudar o comportamento dos buracos negros. No entanto, Švančara e os seus colegas quiseram ir mais longe, recorrendo a hélio superfluido.

Trata-se de um isótopo de hélio - o hélio-4 - arrefecido até aos -271 graus Celsius, apenas um pouco acima do zero absoluto. A esta temperatura extremamente baixa, os bosões do hélio-4 abrandam o suficiente para se sobreporem e comportarem-se como um único superátomo: um fluido sem viscosidade, ou superfluido.

O tornado quântico de hélio-4

A equipa tirou partido das propriedades quânticas invulgares do hélio-4 superfluido para criar uma espécie de «tornado quântico».

"O hélio superfluido contém pequenos objetos chamados vórtices quânticos, que tendem a afastar-se uns dos outros", afirma Švančara. "Na nossa montagem, conseguimos confinar dezenas de milhares destes quanta num objeto compacto semelhante a um pequeno tornado, obtendo um fluxo vorticoso de intensidade recorde no domínio dos fluidos quânticos."

Ao estudar este tornado, os investigadores conseguiram identificar semelhanças entre o fluxo vorticoso e a influência de um buraco negro em rotação no espaço-tempo curvo à sua volta. Em particular, observaram ondas estacionárias análogas a estados ligados de buracos negros e excitações comparáveis à fase de amortecimento de um buraco negro acabado de formar.

E isto é apenas o início. Depois de terem demonstrado que a experiência funciona como pretendiam, os investigadores consideram que o vórtice poderá abrir uma nova área da ciência dos buracos negros.

"Quando observámos pela primeira vez sinais claros da física dos buracos negros na nossa experiência inicial com análogos, em 2017, foi um momento decisivo para compreender alguns dos fenómenos bizarros que são frequentemente difíceis, se não impossíveis, de estudar de outra forma", afirma a física Silke Weinfurtner, da Universidade de Nottingham.

"Agora, com a nossa experiência mais sofisticada, elevámos esta investigação a outro nível, o que poderá acabar por permitir-nos prever como os campos quânticos se comportam em espaços-tempos curvos em torno de buracos negros astrofísicos."

A investigação foi publicada na revista Nature.