Em 2015, a experiência LIGO/Virgo, um esforço de investigação em grande escala baseado em dois observatórios nos Estados Unidos, levou à primeira observação direta de ondas gravitacionais. Desde então, este importante marco levou físicos de todo o mundo a desenvolver novas descrições teóricas para a dinâmica dos buracos negros, com base nos dados recolhidos pela colaboração LIGO/Virgo.



Pesquisadores da Universidade de Uppsala, da Universidade de Oxford e da Université de Mons recentemente começaram a explicar a dinâmica dos buracos negros de Kerr, buracos negros teoricamente previstos que giram a uma taxa constante, usando a teoria de partículas massivas de alta rotação. O artigo deles, publicado em Physical Review Letters , propõe especificamente que a dinâmica desses buracos negros em rotação é limitada pelo princípio da simetria de calibre, o que sugere que algumas mudanças nos parâmetros de um sistema físico não teriam efeito mensurável.

“Buscamos uma conexão entre buracos negros em rotação de Kerr e partículas massivas de rotação mais alta”, disse Henrik Johansson, co-autor do artigo, ao Phys.org. “Em outras palavras, modelamos o buraco negro como uma partícula fundamental giratória, semelhante à forma como o elétron é tratado na eletrodinâmica quântica”.

A ligação entre os buracos negros de Kerr e a teoria do spin superior foi explorada pela primeira vez em dois artigos distintos publicados em 2019. O primeiro destes estudos foi realizado por Alfredo Guevara no Perimeter Institute for Theoretical Physics e seus colaboradores na Europa, enquanto o segundo por Ming-Zhi Chung da Universidade Nacional de Taiwan e seus colegas da Universidade Nacional de Seul.

Ambos os trabalhos anteriores mostraram que a conhecida métrica de Kerr pode ser combinada com uma família infinita de amplitudes de espalhamento de spin mais alto. Essas amplitudes foram obtidas pela primeira vez pelos físicos Nima Arkani-Hamed, Tzu-Chen Huang e Yu-tin Huang, como parte de um estudo anterior.

"Embora estes resultados anteriores sejam notáveis, ainda não são suficientes para descrever com precisão a dinâmica do buraco negro de Kerr tendo em vista as próximas experiências, como o telescópio Einstein, o LISA e o Cosmic Explorer," disse Johansson. "Algumas informações importantes que faltam estão contidas na amplitude de espalhamento Compton do buraco negro, que é atualmente desconhecida para o spin geral."

No seu artigo, Johansson e os seus colegas sugerem que o princípio da simetria de calibre poderia ser usado para restringir com sucesso a dinâmica dos buracos negros em rotação. Os pesquisadores mostraram que a simetria maciça de maior spin, informada por um mecanismo inicialmente delineado por Ernst Stueckelberg e posteriormente formalizado por Yurii Zinoviev, pode ser usada para reproduzir as amplitudes de espalhamento de Kerr relatadas em artigos anteriores.

"Também mostramos que as amplitudes desconhecidas do espalhamento Compton são severamente restringidas, mesmo que alcançar a exclusividade exija mais informações", disse Johansson.

"As teorias quânticas de campo de spin superior (QFTs) são notórias por sua complexidade. Mesmo QFTs de spin baixo, como o caso de spin-1 do Modelo Padrão e o caso de spin-2 da Relatividade Geral, são obviamente complicados, e suas formulações baseiam-se fundamentalmente na simetria de calibre e na simetria de difeomorfismo (covariância geral). Essas duas simetrias podem ser consideradas como os dois degraus mais baixos de uma escada infinita que é chamada de simetria de calibre de spin superior.

Embora a simetria de calibre não seja necessária para descrever a dinâmica de partículas massivas, ela provou ser uma ferramenta valiosa para delinear interações consistentes. Uma realização dessa simetria massiva de calibre é o chamado mecanismo de Higgs.

"Usando a simetria massiva de medidor de spin mais alto para buracos negros, poderíamos garantir que os graus de liberdade de spin sejam tratados de forma consistente e escrever um Lagrangiano eficaz", explicou Johansson, "O Lagrangiano fornece a descrição correta de spin mais alto de um negro de Kerr buraco e tem um comportamento razoavelmente bom em alta energia O bom comportamento em alta energia não é importante para buracos negros clássicos, mas dá alguma confiança de que a teoria eficaz também pode descrever certos processos quânticos.

Johansson e seus colegas foram os primeiros a aplicar a simetria de calibre de maior rotação aos buracos negros. O resultado dos seus cálculos iniciais é promissor e poderá em breve abrir caminho para novos estudos que explorem esta ligação.

"Embora esperemos que leve algum tempo até que a teoria efetiva completa para buracos negros em rotação seja compreendida, pensamos que a simetria de calibre de maior rotação será um componente crítico em sua formulação, semelhante a como a simetria de calibre e a simetria de difeomorfismo guiaram o teórico estrutura da física do século 20", disse Johansson. "A amplitude completa da dispersão Compton para um buraco negro de Kerr permanece enigmática, mas temos grandes esperanças de sermos capazes de restringi-la totalmente no futuro. Isto envolve tanto compreendê-la para ordens de spin arbitrárias, como para ordens superiores na constante de Newton."

Restringir totalmente a amplitude de dispersão dos buracos negros de Kerr exigirá, em última análise, uma estreita colaboração entre os físicos teóricos que estudam partículas massivas de spin superior e aqueles que tentam resolver a chamada equação de Teukolsky, enraizada na teoria da relatividade geral. Colaborações recentes entre estas comunidades de investigação distintas sugerem que em breve poderão ser feitos progressos nesta direcção.

“Nos nossos próximos trabalhos, gostaríamos também de aprofundar a ligação entre os buracos negros e as suas propriedades quânticas, que lembram as partículas elementares”, acrescentou Johansson.

Mais informações: Lucile Cangemi et al, Kerr Black Holes from Massive Higher-Spin Gauge Symmetry, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.221401
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