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Os físicos confirmam observacionalmente o teorema do buraco negro de Hawking pela primeira vez
Cinquenta anos depois, físicos do MIT e de outros lugares agora confirmaram o teorema da área de Hawking pela primeira vez, usando observações de ondas gravitacionais. Seus resultados aparecem nesta segunda-feira, 1, na Physical Review Letters .
Por Jennifer Chu - 02/07/2021


Físicos do MIT e de outros lugares usaram ondas gravitacionais para confirmar pela primeira vez o teorema da área do buraco negro de Hawking. Esta simulação de computador mostra a colisão de dois buracos negros que produziram o sinal da onda gravitacional, GW150914. Crédito: Projeto Simulating eXtreme Spacetimes (SXS). Cortesia de LIGO

Existem certas regras que até os objetos mais extremos do universo devem obedecer. Uma lei central para buracos negros prevê que a área de seus horizontes de eventos - a fronteira além da qual nada pode escapar - nunca deve encolher. Esta lei é o teorema da área de Hawking, em homenagem ao físico Stephen Hawking, que derivou o teorema em 1971.

Cinquenta anos depois, físicos do MIT e de outros lugares agora confirmaram o teorema da área de Hawking pela primeira vez, usando observações de ondas gravitacionais. Seus resultados aparecem nesta segunda-feira, 1, na Physical Review Letters .

No estudo, os pesquisadores examinam mais de perto o GW150914, o primeiro sinal de onda gravitacional detectado pelo Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), em 2015. O sinal era produto de dois buracos negros inspiradores que geraram um novo buraco negro , junto com uma enorme quantidade de energia que ondulou através do espaço-tempo como ondas gravitacionais.

Se o teorema da área de Hawking se mantiver, a área do horizonte do novo buraco negro não deve ser menor do que a área total do horizonte de seus buracos negros pais. No novo estudo, os físicos reanalisaram o sinal do GW150914 antes e depois da colisão cósmica e descobriram que, de fato, a área total do horizonte de eventos não diminuiu após a fusão - um resultado que relataram com 95 por cento de confiança.

Suas descobertas marcam a primeira confirmação de observação direta do teorema da área de Hawking, que foi provado matematicamente, mas nunca observado na natureza até agora. A equipe planeja testar futuros sinais de ondas gravitacionais para ver se eles podem confirmar o teorema de Hawking ou ser um sinal de uma nova física que quebra as leis.

"É possível que haja um zoológico de diferentes objetos compactos e, embora alguns deles sejam os buracos negros que seguem as leis de Einstein e Hawking, outros podem ser feras ligeiramente diferentes", diz o autor principal Maximiliano Isi, um pós-doutorado Einstein da NASA no MIT's Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial. "Então, não é como se você fizesse esse teste uma vez e acabou. Você faz isso uma vez, e é o começo."

Os coautores de Isi no artigo são Will Farr da Stony Brook University e do Flatiron Institute for Computational Astrophysics, Matthew Giesler da Cornell University, Mark Scheel da Caltech e Saul Teukolsky da Cornell University and Caltech.

Uma era de percepções
 
Em 1971, Stephen Hawking propôs o teorema da área, que desencadeou uma série de descobertas fundamentais sobre a mecânica dos buracos negros. O teorema prevê que a área total do horizonte de eventos de um buraco negro - e todos os buracos negros no universo, por falar nisso - nunca deve diminuir. A afirmação era um curioso paralelo com a segunda lei da termodinâmica, que afirma que a entropia, ou grau de desordem dentro de um objeto, também nunca deve diminuir.

A semelhança entre as duas teorias sugeria que os buracos negros poderiam se comportar como objetos térmicos, emissores de calor - uma proposição confusa, já que se pensava que os buracos negros, por sua própria natureza, nunca deixavam escapar ou irradiar energia. Hawking finalmente ajustou as duas ideias em 1974, mostrando que os buracos negros poderiam ter entropia e emitir radiação em escalas de tempo muito longas se seus efeitos quânticos fossem levados em consideração. Este fenômeno foi apelidado de "radiação Hawking" e continua sendo uma das revelações mais fundamentais sobre os buracos negros.

“Tudo começou com a percepção de Hawking de que a área total do horizonte em buracos negros nunca pode diminuir”, diz Isi. "A lei da área encapsula uma época de ouro nos anos 70, quando todos esses insights estavam sendo produzidos."

Hawking e outros desde então mostraram que o teorema da área funciona matematicamente, mas não havia nenhuma maneira de compará-lo com a natureza até a primeira detecção de ondas gravitacionais do LIGO .

Hawking, ao saber do resultado, rapidamente contatou o cofundador do LIGO Kip Thorne, o Feynman Professor de Física Teórica na Caltech. Sua pergunta: a detecção poderia confirmar o teorema da área?

Na época, os pesquisadores não tinham a capacidade de pegar as informações necessárias dentro do sinal, antes e depois da fusão, para determinar se a área final do horizonte não diminuía, como o teorema de Hawking assumiria. Só vários anos depois, com o desenvolvimento de uma técnica por Isi e seus colegas, o teste da lei da área tornou-se viável.

Antes e depois

Em 2019, Isi e seus colegas desenvolveram uma técnica para extrair as reverberações imediatamente após o pico de GW150914 - o momento em que os dois buracos negros originais colidiram para formar um novo buraco negro. A equipe usou a técnica para escolher frequências específicas, ou tons de consequências ruidosas, que eles poderiam usar para calcular a massa e o spin do buraco negro final.

A massa e o spin de um buraco negro estão diretamente relacionados à área de seu horizonte de eventos, e Thorne, relembrando a consulta de Hawking, os abordou com um acompanhamento: Eles poderiam usar a mesma técnica para comparar o sinal antes e depois da fusão e confirmar o teorema da área?

Os pesquisadores aceitaram o desafio e novamente dividiram o sinal GW150914 em seu pico. Eles desenvolveram um modelo para analisar o sinal antes do pico, correspondendo aos dois buracos negros inspiradores, e para identificar a massa e o spin de ambos os buracos negros antes de se fundirem. A partir dessas estimativas, eles calcularam suas áreas totais do horizonte - uma estimativa aproximadamente igual a cerca de 235.000 quilômetros quadrados, ou cerca de nove vezes a área de Massachusetts.

Eles então usaram sua técnica anterior para extrair o "ringdown", ou reverberações do buraco negro recém-formado, a partir do qual calcularam sua massa e spin e, finalmente, sua área de horizonte, que descobriram ser equivalente a 367.000 quilômetros quadrados (aproximadamente 13 vezes área do Bay State).

“Os dados mostram com absoluta confiança que a área do horizonte aumentou após a fusão e que a lei da área está satisfeita com uma probabilidade muito alta”, diz Isi. "Foi um alívio que nosso resultado concordasse com o paradigma que esperamos e confirmasse nosso entendimento dessas complicadas fusões de buracos negros."

A equipe planeja testar o teorema da área de Hawking e outras teorias de longa data da mecânica dos buracos negros, usando dados do LIGO e de Virgo, sua contraparte na Itália.

“É encorajador podermos pensar de maneiras novas e criativas sobre os dados das ondas gravitacionais e chegar a questões que pensávamos que não podíamos antes”, diz Isi. "Podemos continuar a extrair informações que falam diretamente com os pilares do que pensamos que entendemos. Um dia, esses dados podem revelar algo que não esperávamos."

 

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