Os buracos negros são conhecidos por se fundirem quando dois deles colidem, mas será que o inverso poderia acontecer? Poderia um único buraco negro de alguma forma se dividir em dois menores? Um novo estudo teórico sugere que esta possibilidade extraordinária pode não ser totalmente descartada pela física, embora as condições exigidas sejam extremas.
A pesquisa, publicada em Revisão Física D sob o título “Quando os buracos negros admitem topologias de calças”, examina as leis físicas que mantêm os buracos negros intactos e se certas circunstâncias poderiam permitir que eles se separassem.
“No nosso estudo, investigamos quais as leis físicas que normalmente impedem um buraco negro de se dividir em dois. Também investigamos se certas circunstâncias podem permitir que uma divisão aconteça,” afirma Francesco Sannino, coautor do estudo e professor de física na Universidade de Nápoles Federico II, em Itália, e no Centro de Teoria Quântica de Campos da Universidade do Sul da Dinamarca.
A equipe de pesquisa também incluiu Giacomo Cacciapaglia, pesquisador do Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica (CNRS) no Laboratoire de Physique Théorique et Hautes Énergies, um laboratório conjunto do CNRS e da Sorbonne Université em Paris. Contribuidores adicionais foram Manuel Del Piano e Vania Vellucci, ambos do Centro de Teoria de Campos Quânticos da Universidade do Sul da Dinamarca.
Por que os buracos negros normalmente não podem se separar
Um dos maiores obstáculos à divisão de um buraco negro vem da termodinâmica, o ramo da física que governa o comportamento da energia e a forma como os sistemas físicos mudam.
Um conceito central é a entropia, que descreve quantos arranjos microscópicos diferentes um sistema pode ter enquanto parece inalterado do lado de fora. Os buracos negros têm entropia e esta propriedade impõe limites importantes ao que pode acontecer com eles.
Para um buraco negro que não gira, dividir-se em dois buracos negros menores reduziria a entropia total. Tal diminuição torna o processo termodinamicamente desfavorável, ajudando a explicar por que os buracos negros normalmente não se separam.
No entanto, os investigadores descobriram que a situação pode mudar drasticamente quando um buraco negro gira a uma velocidade excepcionalmente alta.
Rotação extrema pode permitir a divisão de buracos negros
Os cálculos da equipe sugerem que a rotação rápida pode criar uma abertura estreita nas regras físicas que normalmente impedem a divisão dos buracos negros. Em princípio, um buraco negro com rotação suficientemente rápida poderia superar a restrição termodinâmica usual.
Mas há outro grande obstáculo. Mesmo que um buraco negro pudesse dividir-se, os dois objetos resultantes precisariam de se afastar o suficiente para evitar a fusão imediata.
“Mas os dois buracos negros resultantes também devem ser capazes de se separar, em vez de imediatamente voltarem a juntar-se. Quando incluímos este requisito, a janela fecha-se novamente, exceto, possivelmente, para os buracos negros que rodam perto da sua velocidade máxima possível,” diz Francesco Sannino.
O título incomum do estudo refere-se à forma que a fronteira de um buraco negro traçaria através do espaço e do tempo se tal divisão ocorresse. Essa fronteira, chamada de horizonte, começaria como uma estrutura única antes de se separar em dois ramos distintos.
Vista ao longo do tempo, a forma resultante se assemelharia a um par de calças, com uma parte superior dividida em duas “pernas”. Esta é a ideia por trás do termo “topologias de calças”.
Dimensões extras oferecem outra possibilidade
Os pesquisadores também investigaram cenários mais inusitados envolvendo teorias nas quais o espaço tem dimensões adicionais além das três que vivenciamos na vida cotidiana.
Os físicos já identificaram objetos semelhantes a buracos negros em alguns destes modelos teóricos que podem tornar-se instáveis e começar a desintegrar-se. Estas possibilidades sugerem que as regras familiares que regem os buracos negros podem não se aplicar da mesma forma em condições mais exóticas.
Em certos casos, a divisão pode até tornar-se termodinamicamente favorável, especialmente quando um dos dois buracos negros resultantes é muito menor que o outro.
No entanto, um processo permitido ou favorecido pela termodinâmica não significa necessariamente que acontecerá. Os investigadores ainda precisam de determinar se tal fragmentação pode ocorrer fisicamente e quais as condições que a tornariam possível.
Os astrônomos poderiam detectar a divisão de um buraco negro?
Os cientistas estão agora a trabalhar para compreender melhor a probabilidade destes eventos. A resposta pode depender de aspectos da gravidade que vão além da teoria de Einstein, tornando o problema especialmente desafiador.
“Ainda não podemos dar uma única probabilidade de um buraco negro se dividir. Depende de como a gravidade se comporta além da teoria de Einstein, e estamos a trabalhar para quantificar isso. Esperamos que os pequenos buracos negros primordiais sejam mais propensos à divisão do que os buracos negros astrofísicos muito maiores. Podemos detectar uma divisão indirectamente: telescópios de raios gama como o Fermi-LAT podem procurar sinais de pequenos fragmentos de buracos negros que possam formar-se durante as fusões,” diz Francesco Sannino.
Embora atualmente não haja nenhuma observação confirmada da divisão de um buraco negro, a possibilidade de detectar sinais de pequenos fragmentos oferece uma forma potencial de investigar a ideia. Tais evidências poderiam fornecer pistas valiosas sobre o comportamento da gravidade sob algumas das condições mais extremas do universo.
Sannino é diretor do Centro de Teoria Quântica de Campos (ℏQTC), afiliado ao Departamento de Matemática e Ciência da Computação (IMADA) da Universidade do Sul da Dinamarca. Ele também é afiliado ao Instituto Dinamarquês de Estudos Avançados e ao Departamento de Física “Ettore Pancini” da Universidade de Nápoles Federico II. Além disso, atua como professor visitante na Universidade de Durham.
Fonte: ScienceDaily
