A velocidade de expansão do universo está se acelerando em todo o cosmos, impulsionada por uma força enigmática conhecida como energia escura — contudo, nova pesquisa sugere que isso pode não ocorrer nas proximidades dos buracos negros.
Ao invés de implicar que a energia escura não atua nos limites dos buracos negros, esta ideia propõe que esta misteriosa força dominante do universo seja a única energia em ação nos horizontes de eventos.
Este conceito pode auxiliar na resolução de um problema persistente na cosmologia denominado “tensão de Hubble”, que surge de estimativas drasticamente diferentes da taxa de expansão do universo, conhecida como constante de Hubble ou parâmetro de Hubble.
Talvez ainda mais significativo para os não-físicos teóricos, esta pesquisa sugere que os buracos negros, seus limites externos ou “horizontes de eventos”, e a expansão do espaço impulsionada pela energia escura podem ser ainda mais intrigantes e complexos do que se imaginava anteriormente.
Esta nova e fascinante ideia foi proposta pelo físico teórico Nikodem Poplawski da Universidade de New Haven. Ele afirma que, embora o espaço ao redor dos buracos negros esteja se expandindo, ainda que de maneira distinta do restante do cosmos, os próprios buracos negros não estão aumentando de tamanho devido a isso.
“A taxa de expansão do universo no horizonte de eventos de cada buraco negro é constante, no entanto, o tamanho do horizonte de eventos, e consequentemente do próprio buraco negro, não aumenta conforme o universo se expande”, explicou Poplawski à Space.com. “Pode-se questionar: Como é possível que o horizonte de eventos não cresça, mas o espaço ali se expanda? Isso ocorre porque a expansão do espaço faz com que pontos muito próximos ao horizonte de eventos se afastem dele.”
Poplawski acrescentou que alguns pesquisadores sugeriram que os buracos negros poderiam estar crescendo e aumentando sua massa sem nenhuma acreção de matéria devido à expansão do universo. Ele argumenta que seus resultados demonstram que esta explicação para o crescimento dos buracos negros, especialmente quando aplicada aos buracos negros supermassivos que se desenvolveram incrivelmente rápido no início do universo, não é válida.
Os pesquisadores conceberam inicialmente os buracos negros como soluções para a teoria da gravidade de Einstein de 1915, chamada relatividade geral, propostas mais notadamente pelo físico e astrônomo alemão Karl Schwarzschild.
A relatividade geral postula que objetos com massa fazem com que o próprio tecido do espaço e do tempo, unidos como uma única entidade chamada espaço-tempo, se “curve”. Quanto maior a massa, mais intensa a curvatura no espaço-tempo que ela gera. Como a gravidade emerge desta curvatura, isso explica por que quanto mais massa um objeto possui, mais intensa é a influência gravitacional que ele exerce sobre seu entorno.
Os buracos negros originam-se da ideia de uma quantidade infinita de massa concentrada em um espaço infinitesimalmente pequeno, conhecido como singularidade. De acordo com as equações da relatividade geral, esta singularidade, onde toda a física deixa de funcionar, seria delimitada por uma superfície não física na qual nem mesmo a luz poderia se mover rápido o suficiente para escapar. Este é o horizonte de eventos, e sua existência implica que nada escapa de um buraco negro. Consequentemente, jamais poderemos esperar “ver” o que está dentro de um buraco negro.
Devido à curvatura extrema do tempo ao redor de um buraco negro, também nunca poderemos esperar observar o próprio horizonte de eventos.
“O horizonte de eventos se forma após um tempo infinito ter transcorrido na Terra”, disse Poplawski. “O que observamos não são buracos negros, mas ‘quase buracos negros’.” Assim, quando uma estrela colapsa no final de sua vida para dar origem a um buraco negro, o que vemos não é o buraco negro, mas o instante final dessa transformação. Como se esse conceito não fosse já suficientemente intrigante, Poplawski acredita que os horizontes de eventos são ainda mais peculiares: a energia escura existe lá, mas o espaço ao redor dos horizontes de eventos parece simplesmente ignorá-la.
“A taxa de expansão do universo, o parâmetro de Hubble, é constante e pode ser positiva ou zero nos horizontes de eventos dos buracos negros”, afirmou Poplawski. “Isso deve ser o caso, pois se a taxa de expansão do universo em um horizonte de eventos não fosse constante, a pressão e a curvatura do espaço-tempo seriam infinitas. Isso não seria mensurável; portanto, seria não-físico.”
Por mais que a teoria de Poplawski desafie nossa compreensão (e a do espaço), ela pode efetivamente resolver uma questão que tem intrigado os cientistas por décadas.
No final da década de 1990, duas equipes independentes de astrônomos utilizaram medições da distância até supernovas do Tipo Ia para determinar que não apenas o universo está se expandindo, como as evidências coletadas por Edwin Hubble demonstraram no início do século XX, mas que essa expansão também está acelerando.
O termo “energia escura” foi cunhado naquela época para descrever qualquer aspecto do universo que esteja impulsionando essa aceleração. Desde então, os cientistas determinaram que na época atual do cosmos em que vivemos, a energia escura predomina sobre a matéria escura e a matéria comum, representando aproximadamente 68% da energia e matéria do universo.
Atualmente, a explicação mais simples para a energia escura é a “constante cosmológica”, uma medida da densidade de energia do vácuo. No entanto, como você provavelmente já percebeu, nada é verdadeiramente simples na cosmologia.
Quando o valor da constante cosmológica é calculado a partir da teoria quântica de campos, o resultado é consideravelmente maior do que o obtido quando observamos supernovas distantes do Tipo Ia e estrelas que alternam em brilho chamadas variáveis Cefeidas, que são conhecidas como “velas padrão” devido à sua utilidade na medição de distâncias cósmicas.
Por algumas estimativas, a discrepância entre os dois valores é tão grande quanto 121 ordens de magnitude — ou seja, 10 seguido por 120 zeros. Não surpreende que alguns físicos denominem a constante cosmológica como “a pior previsão na história da física”.
Este problema, referido como tensão de Hubble, só se agravou à medida que a teoria quântica de campos e a cosmologia evoluíram e a astronomia se tornou mais sofisticada; surpreendentemente, os valores continuaram a divergir.
A única maneira de ambas as estimativas do parâmetro de Hubble estarem corretas é se a taxa de expansão do universo não procedesse uniformemente em todo o cosmos, com algumas regiões se expandindo muito mais rapidamente do que outras.
Uma hipótese é que nossa galáxia, a Via Láctea, esteja localizada em uma “bolha” de baixa densidade do universo — uma “bolha de Hubble”, se preferir — que afeta as medidas de distância locais, fazendo com que elas forneçam um valor baixo do parâmetro de Hubble. Por outro lado, a teoria quântica de campos não é limitada pelo universo local e considera todo o cosmos, fornecendo assim um valor elevado que é uma média de todo o espaço.
Agora, a hipótese de Poplawski oferece outra perspectiva pela qual certas regiões do cosmos poderiam estar acelerando em taxas diferentes.
“A taxa de expansão é idêntica em todos os horizontes de eventos, mas em outras partes do universo, ela depende da matéria e da curvatura espacial presentes, então é variável”, ele explicou. “Consequentemente, diferentes partes do universo apresentam diferentes taxas de expansão. Isso esclarece a tensão de Hubble observada.”
A teoria de Poplawski sobre a expansão universal movendo-se a uma taxa constante nos horizontes de eventos poderia ser verificada observacionalmente através da astronomia?
Infelizmente, ele considera isso improvável. Velas padrão como supernovas do Tipo Ia e estrelas variáveis Cefeidas não existem na proximidade dos horizontes de eventos. Isso implica que os métodos astronômicos convencionais de determinação do parâmetro de Hubble são praticamente inaplicáveis neste caso.
Além disso, há o fator da curvatura do tempo e o fato de que a luz não pode escapar de um buraco negro a considerar. A única maneira de medir o parâmetro de Hubble nessas condições poderia ser realizar uma viagem sem retorno para o buraco negro.
“Em termos estritamente técnicos, não podemos medir o parâmetro de Hubble no horizonte de eventos porque, quando observamos o buraco negro, o horizonte ainda não se formou”, explicou Poplawski. “No entanto, um observador em queda livre em direção a um buraco negro atravessaria o horizonte de eventos dentro de um intervalo de tempo finito e poderia, teoricamente, medir o parâmetro de Hubble durante essa travessia.
“Contudo, eles não seriam capazes de transmitir essa informação de volta à Terra, uma vez que nada pode escapar do horizonte de eventos para o espaço exterior.”
Poplawski, portanto, acredita que, a menos que surja um método revolucionário de mensuração do parâmetro de Hubble, os segredos bem guardados dos buracos negros permanecerão envoltos em mistério.
