Tornado quântico fornece porta de entrada para a compreensão dos buracos negros
Montagem experimental no laboratório utilizado na pesquisa de buracos negros. Crédito:Leonardo Solidoro Os cientistas criaram pela primeira vez um vórtice quântico gigante para imitar um buraco negro no hélio superfluido, o que lhes permitiu ver com mais detalhes como os buracos negros analógicos se comportam e interagem com o seu entorno.
Pesquisas lideradas pela Universidade de Nottingham, em colaboração com o King's College London e a Universidade de Newcastle, criaram uma nova plataforma experimental:um tornado quântico. Eles criaram um vórtice giratório gigante dentro do hélio superfluido que é resfriado às temperaturas mais baixas possíveis.
Através da observação da dinâmica das ondas minúsculas na superfície do superfluido, a equipe de pesquisa mostrou que esses tornados quânticos imitam as condições gravitacionais próximas a buracos negros em rotação. A pesquisa foi publicada na Nature .
O autor principal do artigo, Dr. Patrik Svancara, da Escola de Ciências Matemáticas da Universidade de Nottingham, explica:"O uso de hélio superfluido nos permitiu estudar pequenas ondas de superfície com maior detalhe e precisão do que com nossos experimentos anteriores em água. Como o a viscosidade do hélio superfluido é extremamente pequena, fomos capazes de investigar meticulosamente sua interação com o tornado superfluido e comparar as descobertas com nossas próprias projeções teóricas."
A equipe construiu um sistema criogênico personalizado capaz de conter vários litros de hélio superfluido em temperaturas inferiores a -271°C. A esta temperatura o hélio líquido adquire propriedades quânticas incomuns. Essas propriedades normalmente impedem a formação de vórtices gigantes em outros fluidos quânticos, como gases atômicos ultrafrios ou fluidos quânticos de luz. Este sistema demonstra como a interface do superfluido hélio atua como uma força estabilizadora para esses objetos.
Vórtice Quântico em experimento de Hélio Superfluido. Crédito:Leonardo Solidoro
Svancara continua:"O hélio superfluido contém pequenos objetos chamados vórtices quânticos, que tendem a se espalhar uns dos outros. Em nossa configuração, conseguimos confinar dezenas de milhares desses quanta em um objeto compacto semelhante a um pequeno tornado , alcançando um fluxo de vórtice com força recorde no domínio dos fluidos quânticos."
Os investigadores descobriram paralelos intrigantes entre o fluxo do vórtice e a influência gravitacional dos buracos negros no espaço-tempo circundante. Esta conquista abre novos caminhos para simulações de teorias quânticas de campos de temperatura finita dentro do complexo reino dos espaços-tempos curvos.
A professora Silke Weinfurtner, liderando o trabalho no Laboratório de Buracos Negros onde este experimento foi desenvolvido, diz:“Quando observamos pela primeira vez assinaturas claras da física dos buracos negros em nosso experimento analógico inicial em 2017, foi um momento inovador para a compreensão de alguns dos fenômenos bizarros que muitas vezes são desafiadores, se não impossíveis, de estudar de outra forma.
"Agora, com a nossa experiência mais sofisticada, levamos esta investigação para o próximo nível, o que poderá eventualmente levar-nos a prever como os campos quânticos se comportam em espaços-tempos curvos em torno de buracos negros astrofísicos."
O culminar desta pesquisa será celebrado e explorado criativamente em uma exposição ambi intitulada "Cosmic Titans" na Galeria Djanogly, Lakeside Arts, Universidade de Nottingham, de 25 de janeiro a 27 de abril de 2025 (e em turnê por locais no Reino Unido e no exterior ).
A exposição incluirá esculturas, instalações e obras de arte imersivas recentemente encomendadas por artistas importantes, incluindo Conrad Shawcross RA, que resultam de uma série de colaborações inovadoras entre artistas e cientistas facilitadas pelo ARTlab Nottingham. A exposição combinará investigações criativas e teóricas sobre os buracos negros e o nascimento do nosso universo.
