Um buraco negro pode comportar-se como uma gota de água?

Uma investigação do Departamento de Física da UA indica que sim!

A forma de uma simples gota de água e a de um buraco negro são semelhantes, mas estes dois elementos completamente antagónicos do ponto de vista de dimensão poderão ter nas suas semelhanças algo mais que a sua forma. Perante uma descarga elétrica, estas gotas de água e os buracos negros poderão comportar-se da mesma forma.

Quando pensamos numa gota de água a cair, pensamos normalmente em algo que se assemelha a uma cebola, pelas ilustrações que sempre nos habituámos a ver. Mas esta ilustração não representa a realidade.

Na realidade, uma gota de água cai sob a forma de uma esfera perfeita, a mesma esfera perfeita de um buraco negro mais simples.

Apesar da sua forma esférica, se for acrescentada uma carga elétrica, esta pode adquirir novas formas. O mesmo acontecerá a um buraco negro? A resposta permanecia desconhecida até agora. Afinal, os buracos negros quando sujeitos a cargas elétricas podem comportar-se de uma maneira semelhante à das gotas de água. A descoberta é de uma equipa de físicos da Universidade de Aveiro (UA).

Investigadores Carlos Herdeiro e Eugen Radu do Departamento de Física da Universidade de Aveiro

Perceber o Universo

Havia até agora uma interessante, mas incompleta, semelhança entre o comportamento da familiar gota de água e o comportamento de um buraco negro, uma região do espaço tempo da qual a luz não consegue escapar.

O físico britânico Lord Rayleigh, que ganhou o prémio Nobel da física em 1904 pela descoberta do gás nobre Árgon, demonstrou em 1879 que uma gota de água, isolada de forças externas (incluindo o campo gravítico) tem uma forma esférica. Rayleigh demonstrou ainda que esta forma é estável: se a gota for ligeiramente perturbada, oscila um pouco e retorna à forma esférica.

Três anos mais tarde, o britânico obteve outro resultado fundamental em dinâmica de fluidos. Se a gota tiver carga elétrica, pode continuar esférica, mas se a carga exceder um certo limiar, o denominado limite de Rayleigh, a gota deixa de ter preferência pela forma esférica. Isto é, se for perturbada um pouco, a gota desvia-se da forma esférica. Gotas com carga excedendo o limite de Rayleigh podem adquirir novas formas não esféricas, que são mais estáveis - porque minimizam a repulsão entre as cargas elétricas - do que uma esfera perfeita.

As semelhanças

Tal como uma gota de água neutra [sem rotação], um buraco negro em equilíbrio tem de ser esférico e esta é a sua forma mais estável. Mas a semelhança entre a gota de água e o buraco negro não tinha continuidade se introduzíssemos carga elétrica.

Esta explicação é dada por Carlos Herdeiro, investigador do Departamento de Física e do Centro para a Investigação e Desenvolvimento da Matemática e Aplicações (CIDMA) da UA, e coordenador do estudo publicado este mês na revista Physical Review Letters.

Explica ainda que enquanto que uma gota de água carregada, apenas prefere ser esférica até ao limite de Rayleigh, o buraco negro com carga elétrica parecia preferir sempre ser esférico. Mas nesta nova investigação é provado que buracos negros carregados podem-se comportar de uma maneira muito semelhante a uma gota de água com carga elétrica.

O artigo intitula-se de Spontaneous scalarisation of charged black holes, que Carlos Herdeiro considera no âmbito da Física-Matemática e não da Astrofísica. Neste trabalho, os investigadores mostram que, tal como a gota de água, os buracos negros carregados apenas têm que ser esféricos até um certo limiar de carga. “A partir desse limiar, outras formas não esféricas tornam-se possíveis, e até preferenciais, exatamente como no caso das gotas carregadas”, refere o investigador.

O campo eletromagnético e outras partículas

O ingrediente fundamental que permitiu aos investigadores da UA encontrarem este novo comportamento de buracos negros carregados, foi considerar a interação entre o campo eletromagnético e outras partículas.

Quando esta interação é considerada, surge um novo “canal” para o buraco negro se aliviar da repulsão entre as suas cargas elétricas, ao criar uma nuvem de partículas carregadas ao seu redor.

Esta nuvem, adianta Carlos Herdeiro, pode tomar várias formas geométricas não esféricas, e como contém uma parte considerável da energia do buraco negro, a forma do buraco negro, que é determinada pela forma da fronteira deste – denominado por horizonte de acontecimentos – adapta-se à forma da nuvem, deixando o buraco negro de ser esférico.

Para além de mostrar que estes buracos negros não esféricos existem, o artigo mostra, para o caso mais simples, que esta transferência de energia e carga elétrica do buraco negro para a nuvem de partículas em seu redor pode ocorrer dinâmica e espontaneamente.

|Universidade de Aveiro