Buracos negros, regiões no espaço com um campo gravitacional tão intenso que nenhuma matéria ou radiação pode escapar delas, estão entre os fenômenos cosmológicos mais misteriosos e fascinantes. Nos últimos cinco anos ou mais, astrofísicos coletaram as primeiras observações das fortes forças gravitacionais em torno dos buracos negros.

A colaboração LIGO-Virgo foi capaz de detectar ondas gravitacionais ao redor desses objetos celestes usando alguns dos detectores de ondas gravitacionais mais avançados do mundo. Enquanto isso, o grupo de pesquisa Event Horizon Telescope capturou a primeira imagem de uma sombra de buraco negro.

Embora ambas as observações sejam altamente promissoras e cativantes, nenhum deles provavelmente revelará o horizonte de eventos, o limite que define a região específica no espaço em torno de um buraco negro do qual nada pode escapar. Apesar disso, eles devem conter uma assinatura apontando para uma região vizinha fora do horizonte de eventos, em que a luz é curvada com tanta força que seu caminho se fecha e forma órbitas circulares conhecidas como anéis de luz.

O estudo desses anéis de luz pode, em última análise, enriquecer nossa compreensão atual dos buracos negros e suas propriedades. Até aqui, Contudo, muitas perguntas permanecem sem resposta, e ainda estamos longe de obter uma boa compreensão dos buracos negros e dos anéis de luz que os cercam.

Pesquisadores do Instituto Max Planck de Física Gravitacional na Alemanha e da Universidade de Aveiro em Portugal introduziram recentemente um teorema que faz previsões sobre os anéis de luz em torno de buracos negros estacionários. Seu teorema, apresentado em um artigo publicado em Cartas de revisão física , sugere que os buracos negros de equilíbrio devem, como uma regra geral, têm pelo menos um anel de luz em cada um de seus sentidos de rotação.

"Notavelmente, as propriedades dos anéis de luz podem codificar muitas informações relevantes sobre o buraco negro, “Pedro Cunha e Carlos Herdeiro, os dois pesquisadores que realizaram o estudo, disse ao Phys.org por e-mail. "Medir essas propriedades concede uma janela direta para o regime indescritível e ainda bastante desconhecido de gravidade muito forte perto de um buraco negro. No momento, ainda não está claro se a teoria da relatividade geral de Einstein permanece uma boa descrição das leis da gravidade sob tal condições extremas. Portanto, uma questão chave é:qualquer modelo de buraco negro, em qualquer teoria da gravidade, precisa de um anel de luz? "

De acordo com a teoria da relatividade geral, as propriedades dos buracos negros em um estado de equilíbrio e no espaço vazio são muito restritas. Observações cosmológicas anteriores sugerem que esses buracos negros clássicos possuem órbitas de anel de luz, o que poderia significar que qualquer buraco negro concebível também teria essas órbitas.

Com seu estudo, Cunha e Herdeiro tentaram examinar a possibilidade de extrapolar a noção de órbitas de anéis de luz e aplicá-la a buracos negros com conteúdo de matéria genérica ou a teorias alternativas da gravidade (ou seja, não a teoria da relatividade geral). O novo teorema que eles desenvolveram fornece uma base teórica sólida para a previsão de que buracos negros de equilíbrio genérico devem possuir pelo menos uma órbita de anel de luz.

"Em nosso jornal, introduzimos um argumento genérico e matematicamente inovador que estabelece que um buraco negro de equilíbrio deve de fato ter, como uma regra, pelo menos um anel de luz padrão em cada sentido de rotação, “Disseram Cunha e Herdeiro.“ Para analisar anéis de luz, tipicamente, considera-se famílias de soluções de uma dada teoria da gravidade, como a relatividade geral, ou algum modelo particular de gravidade modificada. Aqui, Contudo, o argumento é de natureza topológica. "

A topologia é uma área específica da matemática que se concentra no estudo das propriedades geométricas que não são afetadas quando um objeto sofre deformações ou outras mudanças na forma e no tamanho. A ideia principal subjacente aos estudos de topologia é que alguns problemas não são afetados pela forma e tamanho exatos dos objetos, mas sim pela maneira como esses objetos podem ser deformados uns nos outros.

"Como um exemplo simples, uma esfera e um donut têm um número diferente de orifícios e são topologicamente distintos, "os pesquisadores explicaram." Em contraste, uma esfera e um cubo têm a mesma topologia, apesar de ter diferentes formas geométricas. "

Em seu jornal, Cunha e Herdeiro aplicam construções baseadas em topologia para a questão da existência de uma órbita de anel de luz em torno de um buraco negro. Em vez de usar equações de movimento fornecidas por uma teoria da gravidade específica para tentar responder a esta pergunta, seu teorema simplesmente examina como o espaço-tempo deve se comportar perto e longe de um buraco negro.

"Em outras palavras, não presumimos que uma lei da gravidade seja correta, mas apenas suponha que a lei da gravidade correta (ou seja, o que quer que seja) permite a existência de buracos negros, "Disseram Cunha e Herdeiro." Então, forçando a estrutura do espaço-tempo a obedecer a alguns requisitos de regularidade, a existência de um buraco negro implica que deve haver um anel de luz fora do horizonte. Na verdade, um buraco negro em rotação deve ter pelo menos dois anéis de luz:um para a luz circulando o buraco negro na mesma direção de rotação do buraco negro e outro para a luz circulando o buraco negro na direção oposta. "

O recente artigo de Cunha e Herdeiro fornece uma nova perspectiva teórica que pode servir de base para estudos futuros examinando anéis de luz em torno de buracos negros. Sua principal vantagem é a generalidade, visto que não segue nenhuma teoria específica da gravidade e, portanto, se mantém mesmo que a teoria da relatividade geral de Einstein não fosse aplicável ou precisa neste contexto.

“A previsão de que os buracos negros sempre têm anéis de luz e estão sempre fora do horizonte tem consequências importantes, “Dizem o Cunha e o Herdeiro.“ Por exemplo, isso implica que a silhueta de um buraco negro, conhecido como a sombra do buraco negro, é genericamente diferente e geralmente maior do que se esperaria que fosse o tamanho do próprio buraco negro. Portanto, a sombra deve ser sempre uma ampliação do buraco negro. "

Embora possa ser teoricamente forte, tal como qualquer outro teorema matemático que se aplica a sistemas reais, o construto introduzido por Cunha e Herdeiro assenta numa série de pressupostos. Em seu trabalho futuro, os pesquisadores planejam mudar algumas dessas suposições e avaliar se as previsões de seus teoremas mudam ou permanecem as mesmas.

"Uma suposição fundamental do nosso teorema é que longe do buraco negro não há campo gravitacional, “Disseram Cunha e Herdeiro.“ Porém, no Universo existe uma constante cosmológica que impulsiona a expansão do Cosmos. Isso cria um minúsculo campo gravitacional, não importa quão longe se esteja do buraco negro. Seria muito interessante entender se esta ligeira mudança na suposição mudaria as conclusões do nosso teorema. "

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