Como um análogo de buraco negro revelou pistas sobre a radiação de Hawking em 2022

Um análogo de buraco negro pode nos ensinar bastante sobre uma radiação difícil de capturar que, em teoria, seria emitida por buracos negros reais.

Em 2022, ao usar uma cadeia de átomos alinhados em fila única para simular o horizonte de eventos de um buraco negro, uma equipa de físicos observou o equivalente ao que chamamos de radiação de Hawking - partículas que surgem de perturbações nas flutuações quânticas provocadas pela “quebra” do espaçotempo associada a um buraco negro.

Segundo os autores, este tipo de análogo pode ajudar a aliviar a tensão entre duas estruturas que, hoje, não se conciliam plenamente ao descrever o Universo: a teoria geral da relatividade, que trata a gravidade como um campo contínuo conhecido como espaçotempo; e a mecânica quântica, que descreve o comportamento de partículas discretas com a matemática das probabilidades.

Assista a um resumo da pesquisa no vídeo abaixo:

Para que exista uma teoria unificada de gravidade quântica aplicável de forma universal, essas duas teorias, hoje imiscíveis, precisam encontrar alguma forma de coexistir.

Por que a radiação de Hawking importa para a gravidade quântica

É aqui que os buracos negros entram em cena - possivelmente os objetos mais estranhos e extremos do Universo. Eles são tão massivos e densos que, dentro de uma certa distância do seu centro de massa, nenhuma velocidade possível no Universo basta para escapar. Nem mesmo a velocidade da luz.

Essa distância, que depende da massa do buraco negro, recebe o nome de horizonte de eventos. Depois que um objeto cruza esse limite, só nos resta especular sobre o que acontece, já que nada retorna trazendo informações cruciais sobre o seu destino. Ainda assim, em 1974, Stephen Hawking propôs que interrupções nas flutuações quânticas causadas pelo horizonte de eventos produziriam um tipo de radiação muito semelhante à radiação térmica.

Se a radiação de Hawking realmente existir, ela é fraca demais para ser detectada com as capacidades atuais. É possível que nunca consigamos separá-la do chiado estático do Universo. Mesmo assim, dá para investigar as suas propriedades criando análogos de buracos negros em laboratório.

Como o análogo de buraco negro foi construído com uma cadeia de átomos

Esse tipo de experiência já havia sido realizado antes, mas em novembro de 2022 uma equipa liderada por Lotte Mertens, da Universidade de Amsterdã (Países Baixos), testou uma abordagem diferente.

Nela, uma cadeia unidimensional de átomos funcionou como um “caminho” para que elétrons “saltassem” de uma posição para outra. Ao ajustar o quão fácil era esse salto, os físicos conseguiam fazer com que certas propriedades desaparecessem, criando efetivamente uma espécie de horizonte de eventos que interferia na natureza ondulatória dos elétrons.

O efeito desse horizonte de eventos artificial gerou um aumento de temperatura que, segundo a equipa, bateu com as expectativas teóricas para um sistema equivalente ao de um buraco negro - mas apenas quando parte da cadeia se estendia para além do horizonte de eventos.

Isso pode indicar que o emaranhamento entre partículas que ficam “dos dois lados” do horizonte de eventos é essencial para a geração da radiação de Hawking.

O que os resultados sugerem sobre emaranhamento e radiação térmica

A radiação de Hawking simulada só apresentou caráter térmico dentro de um certo intervalo de amplitudes de salto, e em simulações que começavam imitando um tipo de espaçotempo considerado “plano”. Isso sugere que a radiação de Hawking talvez só seja térmica em uma faixa de situações - e quando existe uma alteração na curvatura do espaçotempo devido à gravidade.

Ainda não está claro o que isso implica para a gravidade quântica. Porém, o modelo oferece uma forma de investigar como a radiação de Hawking emerge em um ambiente que não é afetado pela dinâmica extrema da formação de um buraco negro. Além disso, por ser muito simples, ele pode ser aplicado em uma ampla variedade de montagens experimentais, segundo os investigadores.

"Isso pode abrir um caminho para explorar aspetos fundamentais da mecânica quântica juntamente com a gravidade e os espaçotempos curvos em diversos contextos de matéria condensada", escreveram os pesquisadores.

A pesquisa foi publicada em Physical Review Research.

Uma versão deste artigo foi publicada pela primeira vez em novembro de 2022.