Cientistas criam buraco negro feito de luz para testar famosa teoria de Stephen Hawking Por Beatriz
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Cientistas realizaram uma descoberta significativa no campo da física da radiação de Hawking ao construir um buraco negro em miniatura a partir da luz, diretamente em um laboratório. Esta inovação permite uma nova forma de explorar fenômenos teóricos complexos.
Pesquisadores conseguiram observar o brilho mais reconhecível de um buraco negro a partir de um filamento de fibra óptica. Pela primeira vez, eles notaram como essa luz reagia dentro do buraco negro simulado que a gerou.
Este avanço oferece uma perspectiva única e direta sobre a radiação de Hawking, uma emissão térmica sutil que Stephen Hawking havia previsto escapar dos buracos negros. O estudo proporciona a primeira indicação sobre o pequeno impulso que, em teoria, poderia levar um buraco negro real a evaporar lentamente, conforme relatado pela equipe.
Durante um experimento de bancada que utilizou fibras ópticas, a equipe internacional de cientistas detectou não apenas a radiação, mas também sua “reação reversa”, que há muito era procurada. Essa reação mostra como a radiação devolve energia e modifica o objeto que a originou.
Conforme o estudo, publicado em 1º de julho na revista Nature, a luz se comportou exatamente como Hawking havia previsto. Apresentou o brilho de um corpo quente, com uma temperatura e um espectro que diminuía gradualmente em direção a frequências mais altas, mesmo em condições onde a descrição tradicional de buracos negros geralmente não se aplica.
Onde as grandes teorias da física se encontram
A radiação de Hawking é um tópico de grande interesse por estar na intersecção das teorias mais impactantes da física moderna.
Ulf Leonhardt, físico do Instituto Weizmann de Ciências, em Israel, e coautor da pesquisa, explicou por e-mail que Jacob Bekenstein previu a entropia e temperatura dos buracos negros, enquanto Hawking calculou a radiação térmica. Ele ressaltou que a radiação de Hawking-Bekenstein une física quântica, relatividade geral e termodinâmica, áreas que tipicamente apresentam incompatibilidades.
Essa colisão entre as teorias é profunda: a relatividade geral descreve o espaço-tempo como contínuo e fluido, enquanto a mecânica quântica aborda um universo de saltos imprevisíveis e discretos. Até hoje, uma reconciliação completa entre as duas tem sido um desafio.
É essa complexa união que dificulta o estudo da radiação de Hawking. Astrônomos nunca observaram essa radiação em buracos negros reais e, provavelmente, nunca o farão, pois seu brilho é fraco demais para ser detectado à distância. Por essa razão, físicos utilizam substitutos de laboratório que obedecem às mesmas equações, criando análogos de buracos negros com água, átomos ultrafrios e, neste caso, luz.
Como foi criado um buraco negro a partir da luz
A chave para qualquer analogia de buraco negro está em um meio em movimento. Leonhardt ilustrou o conceito: “Imagine um nadador no mar com uma correnteza mais forte do que ele consegue nadar. Ele é arrastado. É isso que acontece além do horizonte de eventos, e é por isso que normalmente nada consegue escapar de um buraco negro.”
O horizonte de eventos de um buraco negro representa o ponto onde a corrente no universo real, o próprio espaço se acelera a uma velocidade que nada pode superar. Para replicar essa condição, a equipe precisava de um material que simulasse o movimento na velocidade da luz. A solução encontrada foi engenhosa: utilizar a própria luz para constituir o “material”.
“Em óptica, precisamos de um material que pareça se mover na velocidade da luz”, disse Leonhardt. “Para isso, usamos a própria luz na óptica não linear, a luz se comporta como um material.”
Na prática, os pesquisadores lançaram um pulso de “bombeamento” intenso e de duração extremamente curta em uma fina fibra de cristal fotônico. Essa fibra é um filamento de vidro que possui pequenos canais de ar ao longo de seu comprimento, permitindo um ajuste preciso da forma como a luz se propaga. À medida que o pulso avançava, ele alterava sutilmente a refração do vidro, criando uma “lombada” móvel em alta velocidade. Um segundo pulso, de “sondagem”, muito mais fraco, então colidiu com essa frente em movimento. No ponto em que a sonda não conseguia mais acompanhar, um horizonte artificial se formava, dando origem ao análogo do buraco negro.
A captação do brilho e sua resistência
A descoberta mais importante ocorreu na faixa ultravioleta. A teoria sugere que a radiação de Hawking é gerada em pares: uma partícula consegue escapar, enquanto sua parceira, carregando energia “negativa”, representa a imagem espelhada que seria absorvida por um buraco negro real. Na fibra utilizada no experimento, essa partícula parceira se manifestou como luz ultravioleta.
Leonhardt detalhou: “Contamos fótons no ultravioleta que correspondem aos parceiros de Hawking além do horizonte. Eles têm um comprimento de onda em torno de 233 nanômetros. Esse foi o nosso sinal.”
Tão crucial quanto observar o brilho foi compreender seu mecanismo de produção. Por anos, acreditava-se que a fibra acumulava a radiação de Hawking através de uma cascata de etapas, onde a luz era convertida em diversas formas intermediárias antes de a radiação emergir. Contudo, a equipe descobriu que uma única interação direta realiza o processo, com os pulsos de bombeamento e sondagem produzindo o par de Hawking em uma etapa única e limpa. Este modelo simplificado, segundo os pesquisadores, pode ser aplicado a outros análogos e até mesmo a buracos negros verdadeiros.
Como a energia não surge do nada, a emissão da radiação de Hawking deve, necessariamente, influenciar a fonte que a originou. Em um buraco negro real, essa influência se manifesta como a perda de massa e, em escalas de tempo inimagináveis, sua eventual evaporação completa – o fenômeno descrito por Hawking em seu influente artigo de 1974. Nenhum experimento havia conseguido registrar esse recuo até então.
Neste experimento, a equipe conseguiu observar tal efeito. A produção da radiação alterou uma pequena parcela da própria luz do pulso de bombeamento para uma cor ligeiramente distinta, resultando em um padrão assimétrico e revelador no espectro. Essa assimetria, ausente em estudos anteriores, é a característica da reação inversa, ou recuo, que representa o análogo do buraco negro pagando energeticamente pelo seu próprio brilho.
O caminho para um novo experimento quântico
O resultado também aborda um dos dilemas mais intrincados da física dos buracos negros: o problema trans-Planckiano. Ao rastrear a origem da radiação de Hawking, o cálculo adentra um domínio onde nenhum físico pode ter certeza — a escala de Planck, uma dimensão infinitesimal onde se acredita que o espaço e o tempo perdem seu significado convencional e todas as leis da física conhecidas deixam de ser aplicáveis. Em outras palavras, a previsão de Hawking parece basear-se em um fundamento que pode não existir.
“Qualquer luz que se afaste do horizonte se espalha enormemente”, afirmou Leonhardt. “Portanto, ela deve vir de ondas menores que a menor escala na natureza, onde a física é desconhecida. Isso ainda produziria radiação de Hawking? Essa era a questão, e nós a respondemos em nosso experimento.” Notavelmente, o brilho permaneceu perfeitamente térmico mesmo neste regime extremo.
O próximo passo da equipe já está definido. Até o momento, eles utilizaram luz laser comum, que consegue replicar o espectro da radiação de Hawking, mas não suas complexidades quânticas mais profundas. Agora, o plano é “entrar no mundo quântico”, segundo Leonhardt. “Vamos explorar como atingir o regime quântico e observar características como o emaranhamento” — a misteriosa conexão que deveria ligar cada partícula de Hawking que escapa à sua parceira perdida.
