Buracos negros podem sair do próprio cabelo e deixar uma estrela de bosões

Se há algo que pareça eterno neste Universo, serão os buracos negros - pelo menos é isso que a sua física indica.

Estes objectos ultradensos possuem campos gravitacionais inexoráveis. A matéria entra; quase nada volta a sair. Espalhados pelo cosmos como pontos finais, continuam a crescer, sem que praticamente nada pareça capaz de contrariar essa inevitabilidade.

Ainda assim, os buracos negros não são invioláveis. Físicos teóricos encontraram agora um mecanismo de decaimento de buracos negros ainda mais estranho do que os próprios objectos.

De acordo com José Ferreira, Carlos Herdeiro, Eugen Radu e Miguel Zilhão, da Universidade de Aveiro, em Portugal, um buraco negro poderá conseguir espremer-se para fora do seu próprio cabelo, deixando para trás uma estrela de bosões plenamente funcional.

"Perhaps the most remarkable result is that we found a new way in which a hairy black hole can decay," disseram os investigadores à ScienceAlert.

"In one of the scenarios we call 'fission', neither the black hole nor its surrounding scalar structure is destroyed. Instead, the composite object separates into two independently viable objects: a black hole without hair and a self-gravitating lump of scalar matter: a boson star."

Buracos negros com cabelo e campos escalares

Há muita coisa a explicar aqui, a começar pelos buracos negros. Embora estejam entre os objectos mais extremos estudados pela física, no âmbito da relatividade geral padrão são, na verdade, bastante simples. Depois de estabilizarem, bastam surpreendentemente poucos parâmetros para descrever o seu comportamento, como a massa e a rotação.

Isso não quer dizer, porém, que esses sejam os únicos parâmetros existentes. Na realidade, não sabemos que outras propriedades poderão estar escondidas no espaço dos buracos negros, mas a matemática permite aos físicos explorar possibilidades muito invulgares.

Essas características adicionais recebem o nome de "cabelo", e uma das formas que esse cabelo pode assumir é a de um campo escalar.

Os físicos têm bons motivos para imaginar configurações tão estranhas. Os buracos negros constituem alguns dos laboratórios mais extremos do Universo e poderão permitir aos investigadores examinar formas de matéria e campos difíceis de detectar por outros meios.

Assim, se um buraco negro puder sustentar algum tipo de "cabelo" exótico, estudá-lo poderá fornecer pistas sobre partículas ou campos que vão além daqueles que conhecemos actualmente.

Um campo escalar pode ser entendido como um meio invisível que permeia o espaço. Em termos de partículas, também pode ser descrito como um conjunto de partículas sem rotação.

Em certos modelos, esse campo pode agregar-se numa espécie de nuvem à volta de um buraco negro - embora não tenha necessariamente um aspecto ténue. Pode representar uma fracção substancial da massa de todo o sistema e gerar um forte campo gravitacional próprio.

"Normally one might expect such matter simply to fall into the black hole. In these solutions, however, there is a particular resonance mechanism that allows the scalar field and the black-hole horizon to remain in equilibrium," afirmaram os investigadores.

"The important open question was whether that equilibrium was actually stable once general perturbations were allowed. Our simulations show that, for the configurations we studied, it is not."

As primeiras simulações indicavam que estes buracos negros com cabelo poderiam ser estáveis, mas impunham simetria esférica.

Embora o buraco negro existisse em três dimensões, tudo o que ocorresse numa direcção tinha obrigatoriamente de acontecer de forma idêntica em todas as outras. Isto simplifica muito os cálculos, mas impede que o sistema se torne assimétrico.

Trabalhos posteriores, que permitiram dinâmicas não esféricas, revelaram uma instabilidade num dos modelos. Ferreira e os seus colegas quiseram perceber se essa instabilidade era uma particularidade desse modelo ou uma característica mais generalizada destes buracos negros com cabelo - e determinar o que acontecia quando a instabilidade se desenvolvia.

Para isso, recorreram a simulações numéricas que acompanharam, ao longo do tempo, várias configurações de buracos negros com cabelo, permitindo que os sistemas evoluíssem de forma diferente em direcções distintas.

Estrelas de bosões e os dois desfechos possíveis

Falta, contudo, mais uma peça neste quebra-cabeças. Nas condições adequadas, o campo escalar em torno do buraco negro pode manter-se coeso através da sua própria gravidade, formando um objecto hipotético, transparente e sem horizonte de acontecimentos, conhecido como estrela de bosões.

Pode, portanto, imaginar-se o sistema como dois componentes ligados entre si, mas capazes de existir de forma independente.

Os resultados dividiram-se em dois desfechos possíveis.

O primeiro, a que os investigadores chamam "absorção", será provavelmente o mais esperado. A instabilidade faz ruir o delicado equilíbrio que sustenta o buraco negro com cabelo. O buraco negro devora o campo escalar circundante e deixa apenas um buraco negro sem cabelo - ou "careca".

O segundo cenário, denominado pelos investigadores de "fissão", é aquele em que tudo se tornou particularmente estranho.

"The black hole and the scalar configuration are held together by a competition between gravitational attraction and electromagnetic repulsion. In the fission regime, the symmetric configuration in which the black hole sits exactly at the center of the boson star is an unstable equilibrium," explicaram os investigadores.

"A useful analogy is a ball balanced at the very top of a mountain. It can remain there if it is placed in exactly the right position, but the slightest push makes it move away."

E foi precisamente isso que observaram. Uma perturbação minúscula bastou para deslocar o buraco negro do centro. Em vez de regressar ao equilíbrio, afastou-se cada vez mais, acabando por sair do campo escalar como um comedão.

O campo manteve-se unido e persistiu como uma estrela de bosões, enquanto o buraco negro, agora careca, seguiu o seu próprio caminho.

Fissão de buracos negros com cabelo

O destino de um buraco negro com cabelo parecia depender, pelo menos em parte, da compactação do seu cabelo escalar. Configurações mais compactas tendiam para a absorção, enquanto as menos compactas eram mais vulneráveis à fissão.

Esta tendência verificou-se em dois potenciais escalares diferentes.

Isto não significa que, neste momento, buracos negros estejam a sair de estrelas de bosões um pouco por todo o Universo. Desde logo, as estrelas de bosões continuam firmemente classificadas como "hipotéticas".

Além disso, os investigadores alertam que esta configuração específica é sobretudo um modelo conceptual, e não um modelo realista de buracos negros astrofísicos.

"The mechanism relies on ordinary electric charge, whereas astrophysical black holes are expected to carry very little net electric charge," disseram à ScienceAlert.

"So we would not claim that the particular objects simulated here are likely astrophysical objects. Rather, the mechanism we uncovered may point towards a broader phenomenon that could also occur in more realistic models."

Uma das possibilidades que a equipa pretende investigar é saber se, noutros modelos de buracos negros com cabelo, a rotação poderá desempenhar um papel semelhante ao da carga eléctrica.

E, se existir uma versão astrofisicamente plausível desta instabilidade, talvez não seja totalmente invisível.

"A violent symmetry-breaking process of this type should generate a characteristic gravitational-wave signal. In the fission case in particular, the dynamics are very different from familiar processes such as the merger of two black holes, so one would expect the waveform to carry distinctive features," explicaram os investigadores.

"Determining exactly what those waveforms look like, and whether they could realistically be detected and distinguished from other sources, requires further dedicated study. We regard that as a particularly interesting direction for future work."

A investigação foi publicada na Physical Review D.

Este artigo foi verificado por Fiona MacDonald e editado por Fiona MacDonald. Embora tenhamos orgulho no nosso processo, somos apenas humanos. Se detectar um erro, informe-nos, por favor.