Um análogo de buraco negro revela a retroação da radiação de Hawking

Segundo uma das teorias propostas por Stephen Hawking em 1974, os buracos negros perdem energia térmica à medida que se evaporam. Como este fenómeno, conhecido como radiação de Hawking, não pode ser observado no espaço, investigadores criaram em laboratório um análogo de buraco negro.

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Porque é impossível observar a radiação de Hawking no espaço

Quando um buraco negro perde massa, liberta radiação a uma temperatura tão baixa - próxima do zero absoluto no caso dos buracos negros supermassivos - que fica completamente ocultada pelo «ruído de fundo» do Universo. Entre esse ruído está o fundo cósmico de micro-ondas, a radiação remanescente do Big Bang, milhões de vezes mais quente. É por isso que não é possível detetar a evaporação de um buraco negro: nenhum instrumento, por mais sensível que seja, consegue medi-la.

Daí o interesse dos astrofísicos em reproduzir análogos de buracos negros na Terra. A ideia foi avançada em 1981 pelo físico William Unruh e viria a ser concretizada em 2014, no Instituto Tecnológico Technion, em Israel.

Foi então que a radiação de Hawking foi observada pela primeira vez, embora continuasse por esclarecer a forma como a energia abandonava o buraco negro. Está em causa um fenómeno diferente: a «retroação», a contrarreação inevitável que compensa a libertação destas partículas. Uma equipa liderada por Lorenzo Procopio, investigador de pós-doutoramento na Universidade de Paderborn, na Alemanha, observou-a agora pela primeira vez através de um análogo de buraco negro criado numa fibra ótica. O estudo foi publicado a 1 de julho na revista Nature, meio século depois da previsão teórica de Hawking.

Um buraco negro de bolso

Convém esclarecer desde já que um análogo de buraco negro é, na realidade, um dispositivo regido pelas mesmas leis físicas de um verdadeiro buraco negro, mas sem a sua massa nem a sua gravidade extrema. Naturalmente, é impossível recriar um buraco negro real na Terra: a gravidade necessária para comprimir matéria até ao seu horizonte de acontecimentos - a fronteira invisível ou ponto sem retorno de um buraco negro - destruiria o planeta de imediato.

O dispositivo foi desenvolvido há dez anos por Ulf Leonhardt, no Instituto Weizmann, em Israel, e já tinha sido usado em experiências anteriores para reproduzir a radiação de Hawking. O equipamento é constituído por uma fibra ótica, ou seja, um fio de vidro que conduz luz. São disparados sucessivamente dois impulsos laser: o primeiro altera o índice de refração do vidro à medida que avança, fazendo com que a luz se desloque mais devagar nessa zona.

O segundo impulso, emitido logo atrás, encontra essa região mais lenta e fica bloqueado no seu limite, sem conseguir atravessá-lo. No interior da fibra, essa fronteira reproduz o equivalente ao horizonte de acontecimentos de um verdadeiro buraco negro.

Foi assim que a equipa conseguiu acompanhar diretamente a retroação, ou pelo menos a sua versão ótica. A radiação de Hawking transporta energia e, por isso, a fonte que a produz tem de perder uma quantidade equivalente. Neste análogo, essa fonte corresponde ao primeiro impulso laser, cuja perda se traduz numa alteração da frequência. Ao detetarem esse desvio, os investigadores observaram o mecanismo pelo qual um verdadeiro buraco negro perderia matéria, algo inédito na história desta área de investigação.

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Um avanço para o paradoxo da informação

Durante a experiência, os investigadores depararam-se com uma pequena surpresa. Esperavam que a emissão resultasse de uma sequência de efeitos óticos que se desencadeassem mutuamente, como uma reação em cadeia em que cada fenómeno provoca o seguinte. Os resultados revelam o contrário: a radiação surge numa única interação, que gera ao mesmo tempo a emissão e o recuo da fonte. A retroação é, por isso, um fenómeno mais «simples» do que os especialistas em análogos de buracos negros antecipavam.

Em teoria, esta experiência tem um alcance considerável, ainda que com uma importante ressalva: continua a ser impossível garantir que o fenómeno observado numa fibra ótica também se aplica a um buraco negro. Contudo, se esta ligação vier um dia a ser confirmada, poderá facilitar «a compreensão teórica [da retroação]» e abrir «novas perspetivas para calcular os efeitos neste tipo de sistemas [N. do E.: os análogos de buracos negros]», explica Procopio. «Isto poderá até esclarecer a forma como a radiação de Hawking nasce sob o efeito da gravidade», acrescenta o investigador. Hawking, cujas primeiras teorias sobre a evaporação foram inicialmente recebidas com grande ceticismo, teria certamente associado esta descoberta à questão que o obcecou até morrer: se conseguirmos compreender como um buraco negro perde massa através da retroação, talvez estejamos perto de descobrir para onde vai aquilo que ele engole.