Físicos simularam um buraco negro no laboratório e ele começou a emitir luz.

Um análogo de buraco negro pode ajudar-nos a compreender melhor uma radiação difícil de apanhar, que a teoria prevê que os buracos negros reais emitam: a radiação de Hawking.

Por que razão a radiação de Hawking importa para a gravidade quântica?

Para chegar a uma teoria unificada de gravidade quântica aplicável a todo o Universo, é preciso reconciliar duas descrições que, hoje, não encaixam naturalmente uma na outra:

• a teoria geral da relatividade, que trata a gravidade como um campo contínuo, expresso na geometria do espaço-tempo;
• a mecânica quântica, que descreve o comportamento de partículas discretas com base em probabilidades e em flutuações quânticas.

É aqui que os buracos negros ganham protagonismo - provavelmente os objectos mais extremos e estranhos do cosmos. São tão densos que, dentro de uma certa distância ao seu centro de massa, nada consegue escapar: não existe velocidade suficiente no Universo que permita a fuga, nem sequer a velocidade da luz.

Essa distância (que depende da massa do buraco negro) chama-se horizonte de acontecimentos. Depois de algo atravessar esse limite, não temos forma de receber informação directa sobre o que lhe acontece, porque nada regressa para “contar” a história.

Horizonte de acontecimentos e radiação de Hawking: o que Hawking propôs

Em 1974, Stephen Hawking sugeriu que o próprio horizonte de acontecimentos altera o que acontece às flutuações quânticas nas suas imediações. Essa perturbação, argumentou, poderia dar origem a uma radiação com características semelhantes às de radiação térmica - aquilo a que hoje chamamos radiação de Hawking.

O problema é que, se esta radiação existir tal como é prevista, será extremamente ténue. Pode ser que ainda não tenhamos tecnologia para a detectar - e é possível que nunca consigamos distingui-la claramente do “ruído” de fundo do Universo.

Ver um resumo do estudo

Veja um resumo da investigação no vídeo mencionado no artigo original.

Análogos de buraco negro no laboratório: uma alternativa para testar a ideia

Mesmo que a radiação de Hawking real seja praticamente impossível de medir por enquanto, podemos investigar as suas propriedades através de análogos de buraco negro em laboratório - sistemas que reproduzem matematicamente aspectos-chave de um horizonte de acontecimentos, sem precisarem de uma estrela colapsada ou de gravidade extrema.

Experiências deste tipo já tinham sido exploradas antes, mas em novembro de 2022 uma equipa liderada por Lotte Mertens, da Universidade de Amesterdão (Países Baixos), avançou com uma abordagem diferente.

O análogo de buraco negro com cadeia de átomos e “saltos” de electrões

Os investigadores construíram um sistema com uma cadeia unidimensional de átomos, alinhados como se estivessem “em fila”. Nessa estrutura, os electrões podiam deslocar-se ao longo da cadeia através de “saltos” entre posições.

Ao ajustarem o quão fácil era esse salto ocorrer (a amplitude do salto), os físicos conseguiram fazer com que determinadas propriedades do sistema deixassem de se manifestar. Na prática, isso criou um tipo de horizonte de acontecimentos artificial, que interferia com a natureza ondulatória dos electrões, desempenhando o papel do limite que, num buraco negro real, separa o “fora” do “dentro”.

O que observaram: aquecimento e o papel do entrelaçamento

Segundo a equipa, o efeito desse horizonte de acontecimentos “falso” levou a um aumento de temperatura compatível com o que a teoria prevê para um sistema equivalente a um buraco negro - mas com uma condição importante: isso só acontecia quando uma parte da cadeia se estendia para lá do horizonte de acontecimentos.

Esta dependência sugere que o entrelaçamento de partículas que ficam em lados opostos do horizonte pode ser crucial para a produção de radiação de Hawking.

Quando a radiação simulada pareceu térmica (e quando não)

A radiação de Hawking simulada só apresentou um comportamento térmico num intervalo específico de amplitudes de salto. Além disso, esse resultado surgiu em simulações que começavam por imitar um espaço-tempo considerado “plano”.

Isto aponta para uma possibilidade relevante: a radiação de Hawking poderá ser térmica apenas em certos cenários - em particular, quando existe uma alteração na curvatura do espaço-tempo associada à gravidade.

O que isto pode significar (e por que é útil apesar das incertezas)

Ainda não é claro o que estes resultados implicam directamente para a gravidade quântica. No entanto, o modelo fornece uma forma de estudar como a radiação de Hawking pode emergir num ambiente controlado, sem a influência das dinâmicas violentas associadas à formação real de um buraco negro.

Por ser um sistema relativamente simples, os autores defendem que este tipo de análogo pode ser adaptado a várias configurações experimentais em matéria condensada, abrindo caminho a testes mais versáteis.

“Isto pode abrir uma via para explorar aspectos fundamentais da mecânica quântica em conjunto com a gravidade e com espaços-tempos curvos em diversos contextos de matéria condensada”, escreveram os investigadores.

Um ponto adicional: por que os análogos ajudam a separar “efeitos de horizonte” de “efeitos de colapso”

Uma vantagem central destes modelos é permitirem isolar o papel do horizonte de acontecimentos. Num buraco negro astrofísico, muitos fenómenos misturam-se: colapso gravitacional, acreção de matéria, campos intensos e evolução do espaço-tempo. Num análogo de laboratório, é possível focar-se no que acontece quando existe um “limite” com propriedades semelhantes às de um horizonte, reduzindo factores de confusão.

Outro aspecto relacionado: o elo com o problema da informação em buracos negros

A radiação de Hawking está também ligada a uma questão profunda - como a informação se comporta em buracos negros - precisamente porque envolve flutuações quânticas e entrelaçamento através do horizonte. Embora este trabalho não resolva esse debate, experiências que testem o papel do entrelaçamento em cenários de “horizonte” podem ajudar a clarificar quais os ingredientes mínimos necessários para que efeitos do tipo Hawking apareçam.

Publicação e nota editorial

O estudo foi publicado na revista Investigação da Revisão Física.

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