p Certos fenômenos que ocorrem em buracos negros, mas não podem ser observados diretamente em investigações astronômicas, podem ser estudados por meio de uma simulação de laboratório. Isso é possível devido a uma analogia peculiar entre os processos característicos dos buracos negros e os processos hidrodinâmicos. O denominador comum é a similaridade da propagação das ondas em ambos os casos. p Essa possibilidade é explorada em um novo artigo publicado em Cartas de revisão física . O físico Maurício Richartz, professor da Universidade Federal do ABC (UFABC) no Brasil, é um dos autores do artigo, produzido pelo grupo de Silke Weinfurtner na Escola de Ciências Matemáticas da Universidade de Nottingham, no Reino Unido. A pesquisa foi apoiada pela FAPESP por meio do Projeto Temático "Física e geometria do espaço-tempo, "do qual Alberto Vazquez Saa é o investigador principal.

p "Embora este estudo seja inteiramente teórico, também realizamos simulações experimentais no laboratório de Weinfurtner, "Disse Richartz à Agência FAPESP." O aparelho consiste basicamente em uma grande caixa d'água de 3 metros por 1,5 metro. A água sai por um dreno central e é bombeada de volta, de modo que o sistema atinge um ponto de equilíbrio em que a quantidade de entrada é igual à quantidade de saída. Simulamos um buraco negro desta forma. "

p Ele forneceu mais detalhes para explicar como isso foi feito. "O fluxo de água aumenta à medida que se aproxima do ralo. Quando produzimos ondas na superfície da água, obtemos duas velocidades importantes:a velocidade de propagação da onda e a velocidade do fluxo geral de água, " ele disse.

p "Longe do ralo, a velocidade da onda é muito maior do que a velocidade do fluido, então as ondas podem se propagar em qualquer direção. A situação é diferente perto do ralo, Contudo. A velocidade do fluido é muito maior do que a velocidade da onda, então as ondas são arrastadas para baixo pelo fluxo de água, mesmo quando estão se propagando na direção oposta. É assim que um buraco negro pode ser simulado no laboratório. "

p Em um verdadeiro buraco negro astrofísico, sua atração gravitacional captura matéria e evita que ondas de qualquer tipo escapem, incluindo ondas de luz. No simulacro hidrodinâmico, as ondas na superfície do fluido não podem escapar do vórtice que se forma.

p Em 1981, O físico canadense William Unruh descobriu que a semelhança entre os dois processos - um buraco negro e um simulacro hidrodinâmico - era mais do que uma mera analogia. Com algumas simplificações, as equações que descrevem a propagação de uma onda nas proximidades de um buraco negro são idênticas às que descrevem a propagação de uma onda na água que flui por um ralo.

p Isso legitima o uso de processos hidrodinâmicos para investigar os fenômenos típicos dos buracos negros. No novo estudo, Richartz e colaboradores analisaram o processo de relaxamento (ringdown) em um simulacro hidrodinâmico de um buraco negro fora de equilíbrio, levando em consideração fatores anteriormente ignorados. Em alguns aspectos, o fenômeno que eles estudaram é semelhante ao processo de ringdown em um buraco negro astrofísico real que gera ondas gravitacionais após ser criado por uma colisão com dois outros buracos negros.

p "Uma análise cuidadosa do espectro de ringdown revela as propriedades do buraco negro, como seu momento angular e massa. Em sistemas gravitacionais mais complexos, o espectro pode depender de mais parâmetros [...] ", os autores escrevem no artigo publicado na Physical Review Letters.

p Vorticidade

p A vorticidade é ignorada pelos modelos mais simples, mas é considerada neste estudo. É um conceito chave na mecânica dos fluidos que quantifica a rotação de regiões específicas de um fluido em movimento.

p Se a vorticidade for nula, a região simplesmente acompanha o movimento do fluido. Contudo, se a vorticidade não for nula, além de acompanhar o fluxo, ele também gira em torno de seu próprio centro de massa.

p "Nos modelos mais simples, geralmente assume-se que a vorticidade do fluido é igual a zero. Esta é uma boa aproximação para regiões do fluido localizadas a uma distância do vórtice. Para regiões próximas ao dreno, Contudo, não é uma aproximação tão boa porque, nesse caso, a vorticidade se torna cada vez mais importante. Então, uma das coisas que fizemos em nosso estudo foi incorporar vorticidade, "Richartz disse.

p Os pesquisadores começaram a entender como a vorticidade influencia o amortecimento das ondas durante a propagação. Quando um buraco negro real é perturbado, ele gera ondas gravitacionais que oscilam em uma certa frequência. Sua amplitude diminui exponencialmente com o tempo. O conjunto de ressonâncias amortecidas que descreve como o sistema excitado é conduzido de volta ao equilíbrio é caracterizado tecnicamente por um espectro de modos quase normais de oscilação.

p "Em nosso estudo, investigamos como a vorticidade influenciou os modos quase normais no análogo de buraco negro hidrodinâmico. Nossa principal descoberta foi que algumas oscilações decaíram muito lentamente, ou em outras palavras, permaneceu ativo por muito tempo, e foram localizados espacialmente nas proximidades do dreno. Essas oscilações não eram mais modos quase normais, mas um padrão diferente conhecido como estados quase-limitados, "Richartz disse.

p Um desenvolvimento futuro da pesquisa implicará na produção desses estados quase-ligados experimentalmente em laboratório.