Os buracos negros são objetos astronômicos intrigantes que têm uma atração gravitacional tão forte que impede que qualquer objeto e até mesmo a luz escapem. Embora os buracos negros tenham sido tema de numerosos estudos astrofísicos, as suas origens e a física subjacente permanecem em grande parte um mistério.



Pesquisadores da Universidade da Pensilvânia e do Centro Atómico Bariloche introduziram recentemente um novo modelo de microestados de buracos negros em relação à origem da entropia (ou seja, o grau de desordem) nos buracos negros.

Este modelo, apresentado em um artigo publicado na Physical Review Letters , fornece uma perspectiva alternativa sobre buracos negros que poderia informar futuras pesquisas em astrofísica.

“A fórmula de entropia de Bekenstein-Hawking, que descreve a termodinâmica dos buracos negros, foi descoberta na década de 1970”, disse Vijay Balasubramanian, co-autor do artigo, ao Phys.org. "Esta fórmula sugere que os buracos negros têm uma entropia proporcional à área dos seus horizontes.

“De acordo com a física estatística, desenvolvida por Boltzmann e Gibbs no final do século XIX, a entropia de um sistema está relacionada ao número de configurações microscópicas que possuem a mesma descrição macroscópica.

"Em um mundo de mecânica quântica como o nosso, a entropia surge das superposições quânticas de 'microestados', isto é, constituintes microscópicos que produzem as mesmas características observáveis ​​em grandes escalas."

Os físicos têm tentado fornecer um relato confiável da entropia do buraco negro há décadas. Na década de 1990, Andrew Strominger e Cumrun Vafa aproveitaram uma propriedade hipotética conhecida como "supersimetria" para desenvolver um método para contar os microestados de uma classe especial de buracos negros para os quais a massa é igual à carga eletromagnética, em universos com dimensões extras e vários tipos de campos elétricos e magnéticos.

Para explicar a origem da entropia dos buracos negros em universos como o nosso, Balasubramanian e os seus colegas tiveram que criar um novo quadro teórico.

“Apesar das tentativas anteriores, até agora não houve nenhum relato que se aplicasse aos tipos de buracos negros que se formam a partir do colapso estelar no nosso mundo”, disse Balasubramanian. "Nosso objetivo era fornecer tal conta."

A principal contribuição deste trabalho recente foi introduzir o novo modelo de microestados de buraco negro, que pode ser descrito em termos de camadas de poeira em colapso dentro do buraco negro. Além disso, os pesquisadores desenvolveram uma técnica para contar as formas de sobreposição mecânica quântica desses microestados.

"A principal visão do nosso trabalho é que geometrias de espaço-tempo muito diferentes, correspondentes a microestados aparentemente distintos, podem se misturar devido aos efeitos sutis dos 'buracos de minhoca' da mecânica quântica que ligam regiões distantes do espaço", disse Balasubramanian.

"Depois de contabilizar os efeitos destes buracos de minhoca, os nossos resultados mostraram que, para qualquer universo que contenha gravidade e matéria, a entropia de um buraco negro é diretamente proporcional à área do seu horizonte de eventos, como propuseram Bekenstein e Hawking."

O trabalho recente de Balasubramanian e seus colegas apresenta uma nova maneira de pensar sobre os microestados dos buracos negros. Seu modelo os descreve especificamente como superposições quânticas de objetos simples que são bem descritos pelas teorias físicas clássicas da matéria e da geometria do espaço-tempo.

“Isto é muito surpreendente, porque a comunidade esperava que uma explicação microscópica da entropia dos buracos negros exigiria todo o aparato de uma teoria quântica da gravidade, como a teoria das cordas”, disse Balasubramanian.

"Também mostramos que universos que diferem uns dos outros em escalas macroscópicas, até mesmo cósmicas, às vezes podem ser entendidos como superposições quânticas de outros universos macroscopicamente diferentes. Esta é uma manifestação da mecânica quântica na escala de todo o universo, o que é surpreendente dado que normalmente associamos a mecânica quântica a fenômenos de pequena escala."

O quadro teórico recentemente introduzido poderá abrir caminho para outros trabalhos teóricos destinados a explicar a termodinâmica dos buracos negros. Entretanto, os investigadores planeiam expandir e enriquecer a sua descrição dos microestados dos buracos negros.

“Estamos agora a estudar até que ponto e em que circunstâncias um observador fora do horizonte de eventos pode determinar em que microestado se encontra um buraco negro”, acrescentou Balasubramanian.