Uma bomba de um buraco negro provavelmente seria a arma mais destrutiva do universo. Hipoteticamente, poderia ser criado envolvendo um desses monstros cósmicos em espelhos e esperando que ele seja “boom”. Agora, Hendrik Ulbricht, da Universidade de Southampton, na Inglaterra, e seus colegas demonstraram esse princípio, chamado superradiação, no laboratório usando um cilindro de metal rotativo em vez de um buraco negro. Eles enviaram seus resultados, que ainda não foram revisados por pares, ao servidor pré-impressão arxiv.org no final de março.
“Este trabalho mostra que uma ‘bomba negra’ pode ser construída em laboratório”, diz o físico Vitor Cardoso, do Instituto Niels Bohr, na Dinamarca, que não estava envolvido no estudo. “Assim, fornece uma base sólida para o estudo de toda a física dos buracos negros”.
Entre os objetos mais estranhos do universo, os buracos negros empacotam tanta massa em um espaço tão pequeno que eles podem distorcer radicalmente o espaço -tempo. A atração gravitacional de um buraco negro é tão forte que, a uma certa distância, nada pode escapar dela – nem mesmo a luz. O teórico Roger Penrose é um dos pioneiros que primeiro estudou buracos negros matematicamente em detalhes – trabalhos pelos quais ele compartilhou o Prêmio Nobel de Física em 2020. E em meio a um trabalho inicial, ele percebeu algo surpreendente.
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Como Penrose sabia, nada fica parado em nosso cosmos, nem mesmo buracos negros. Esses monstros maciços podem girar, distorcendo o espaço -tempo no processo para formar um tipo de vórtice. Um objeto que se aproxima pode ser pego nesse vórtice e espiral ao redor do buraco negro giratório. Mesmo antes de o objeto passar no horizonte do evento, além do qual nem mesmo a luz pode escapar das garras da gravidade, ele chega a uma área que os físicos chamam de “ergosfera”. Lá, o objeto teria que se mover mais rápido que a luz para escapar da rotação ao redor do buraco negro.
Essa ergosfera é um lugar estranho, como Penrose observou, porque os objetos podem possuir energia negativa. Uma partícula, por exemplo, poderia se dividir em duas partes iguais, mas opositas: uma com energia negativa e outra com energia positiva. O primeiro coloca o buraco negro (reduzindo assim a energia do buraco negro), permitindo que o último escape do poderoso garra do gigante cósmico. Um observador externo veria uma partícula com uma certa energia caindo em direção ao buraco negro, apenas para se recuperar aparentemente para fora com maior energia. O buraco negro perde parte de sua energia rotacional no processo.
Mineração de buracos negros e superradiação
Em princípio, isso permitiria que os buracos negros serviriam como fontes gigantescas de energia. O processo pode não apenas imbuir objetos maciços com mais energia, mas também amplificar ondas eletromagnéticas em um fenômeno chamado superradiância. Essa realização estimulou alguns físicos a imaginar como as civilizações alienígenas avançadas poderiam usar a superradiância para gerar energia. Mas, apesar de quão relativamente simples é descrever no papel, ninguém sabia como o sinal da superradiação poderia ser observado em buracos negros reais. Assim, o conceito inicialmente permaneceu mera especulação.
Em 1971, no entanto, dois anos depois que Penrose descreveu esse fenômeno, o físico Yakov Zel’dovich publicou pesquisas que sugeriram que os buracos negros não são os únicos objetos que podem ser explorados como fontes de energia superradiantes. Qualquer corpo rotativo e axialmente simétrico que absorva a radiação eletromagnética – como um cilindro de metal – também pode exibir superradiância sob certas circunstâncias. “Gr ascente, o absorvedor rotativo deve girar mais rápido que a rotação de fases da radiação incidente”, explica a física Maria Chiara Braidotti, da Universidade de Glasgow, na Escócia, que esteve envolvida no último trabalho. “Se essa condição for atendida, o coeficiente de absorção do cilindro muda de sinal, amplificando assim a radiação”.
Zel’dovich até deu um passo adiante, mostrando que a superradiação também poderia ocorrer no vácuo e não exigiria uma onda eletromagnética de entrada. Isso ocorre porque, na escala quântica, o vácuo é tudo menos vazio. A qualquer momento, pares de partículas virtuais e antipartículas podem surgir, embora normalmente se aniquilem imediatamente. O fenômeno é conhecido como flutuação de vácuo. E essas flutuações também podem ser amplificadas nas proximidades dos buracos negros – ou um cilindro de metal rotativo. “Stephen Hawking não acreditou nessa idéia e tentou refutá -la”, explica Marion Cromb, pesquisadora do grupo de Ulbricht na Universidade de Southampton e contribuinte para o novo trabalho. “Não apenas admitiu (Hawking) que Zel’dovich estava certo, mas também foi capaz de provar que mesmo os buracos negros não rotatórios – sem uma ergosfera – emitiram -se a radiação.” Essa percepção levou à descoberta da radiação de Hawking.
De acordo com os cálculos teóricos, no entanto, a superradiação baseada em vácuo seria tão fraca que não poderia ser detectada-a menos que seja, de alguma forma foi amplificada. Como Zel’dovich descreveu, o corpo rotativo (orifício negro ou cilindro de metal) pode ser envolto em espelhos para refletir a radiação amplificada de volta ao corpo rotativo, intensificando -o repetidamente. Como os físicos William Press e Saul Teukolsky perceberam, tanta energia poderia se acumular dentro dos espelhos que uma explosão gigantesca ocorreria. Pressione e Teukolsky, portanto, se referiram à configuração como uma bomba de buraco negro.
Dependendo de quanta energia rotacional o buraco negro ou o cilindro de metal possui, um resultado que não é uma explosão gigantesca é concebível, no entanto. Cardoso e seus colegas descreveram essa possibilidade em um artigo publicado em 2004 que mostrou como a superradiância pode cessar se o buraco negro ou o cilindro de metal perder muito momento angular, desativando assim a explosão.
Explosões no laboratório
Ulbricht, Baidotti e seus colegas agora queriam testar todas essas previsões teóricas em laboratório. “Originalmente, pensamos que seria muito difícil observar o efeito real”, diz Braidotti, nada que um cilindro teria que girar tão rápido que seria destruído no processo. Por esse motivo, ela inicialmente voltou sua atenção para sistemas mais simples nos quais a superradiação pode ocorrer, incluindo uma configuração com ondas sonoras. “O avanço foi nossa percepção de como reduzir as frequências dos campos eletromagnéticos de uma maneira muito simples, para que sejam menores que as frequências de rotação dos cilindros de metal”, explica Ulbricht. Os pesquisadores precisavam apenas de circuitos atuais alternados para isso. “Essa descoberta abriu a possibilidade de conduzir o experimento com ondas eletromagnéticas”, diz Braidotti.
A equipe então voltou sua atenção para a superradiação eletromagnética. “A configuração experimental em si é bastante simples: consiste em um cilindro rotativo e as bobinas do estator de um motor de indução disponível comercialmente, combinado com alguns capacitores e resistores”, diz Cromb. Esses dispositivos foram colocados ao redor do cilindro de metal para gerar um campo magnético dentro dele, que produzia radiação eletromagnética. Ao mesmo tempo, esses dispositivos também serviram como espelhos porque refletiam as ondas eletromagnéticas de volta em direção ao cilindro.
“A maior dificuldade foi que as coisas estavam constantemente explodindo”, diz Cromb. “Foi um ato de equilíbrio entre medir um sinal razoável e sobrecarregar o sistema. Quando a corrente através das bobinas se tornou muito alta, os resistores no circuito excederam sua tensão nominal e queimaram. Isso interrompeu o circuito elétrico, destruindo assim o ‘espelho'”.
Os pesquisadores inicialmente temiam que essas sobrecargas impedissem qualquer observação de superradiação. Mas eles tiveram sorte. “O reforço foi grande o suficiente para superar a perda e entrar na área de instabilidade”, diz Cromb. De fato, a equipe conseguiu mostrar que a tensão em sua estrutura aumentou exponencialmente, conforme previsto por Zel’dovich. Isso sustenta a reivindicação dos pesquisadores da primeira demonstração baseada em laboratório de uma versão eletromagnética de uma bomba de buraco negro.
Observe, no entanto, que, apesar das conotações marciais do nome, a “bomba” Ulbricht e sua equipe construídas em seu laboratório não são como uma munição de grau militar-ou mesmo um foguete. Seria bastante inútil como arma, porque seu rendimento é apenas da ordem de um milijoule de energia – ou seja, sobre a mesma quantidade envolvida na pressão de uma única tecla em um teclado mecânico.
Superradiabilidade livre de radiação?
Em seguida, a Cromb e a equipe usaram sua configuração para estudar se a superradiação também pode ocorrer no vácuo: um sinal eletromagnético surgiria em seu aparelho, mesmo sem um campo magnético? Como o experimento ocorreu à temperatura ambiente, as flutuações térmicas ofuscaram qualquer flutuação a vácuo – que a equipe não conseguiu detectar diretamente o último. Mas esse mesmo ruído de fundo térmico, percebeu os pesquisadores, geraria espontaneamente ondas eletromagnéticas que teoricamente poderiam ser amplificadas.
E foi isso que eles conseguiram demonstrar: escolhendo a velocidade de rotação apropriada do cilindro, eles geraram ondas eletromagnéticas do nada, por assim dizer. O trabalho deles também confirmou o cenário de “defusagem” previsto por Cardoso: o cilindro de metal foi capaz de perder energia rotacional suficiente para interromper a superradiação e evitar qualquer explosão.
Segundo Ulbricht, a coisa mais especial sobre o trabalho é sua pura simplicidade. “Muitos físicos pensam que todos os experimentos simples já foram feitos e que novas idéias sobre os fundamentos da física só podem vir de projetos muito complexos e muito caros”, diz ele. “Provamos o contrário.”
“Eu não esperava que alguém pudesse realizar esse experimento agora”, diz Cardoso. No dia em que o novo trabalho foi publicado em Arxiv.org, ele lembra, ele estava dando uma série de palestras na Universidade de Bangalore, na Índia. “Eu falei sobre superradiação e disse à platéia que ninguém jamais provou a superradiação eletromagnética ou o efeito da bomba em laboratório. Então você pode imaginar minha surpresa quando vi o jornal logo depois!”
O novo trabalho pode levar a insights mais profundos sobre buracos negros, diz Cardoso. “A superradiação é um efeito clássico pouco conhecido que desempenha um papel importante na física dos buracos negros”, explica ele. Por exemplo, partículas extremamente claras, como axiões ou tipos especiais de fótons considerados candidatos a matéria escura, podem absorver a energia rotacional dos buracos negros, ampliando seus sinais. “Isso significa que os buracos negros podem ser usados como detectores de partículas gigantescos”, explica Cardoso. Com uma bomba de buraco negro baseado em laboratório, os físicos poderiam testar essas hipóteses com mais precisão do que nunca.
No futuro, a Ulbricht gostaria de realizar a versão quântica do experimento, o que implicaria observar a geração espontânea de ondas eletromagnéticas e sua amplificação do vácuo. Tais experimentos diretos com flutuações a vácuo podem abrir possibilidades completamente novas para a comunidade científica e o mundo, diz ele, representando potencialmente “um grande avanço para a física”. Talvez, Ulbricht refira, que o trabalho possa permitir que os pesquisadores “em poucas décadas entendam se é possível em princípio gerar energia a partir do vácuo – que seria uma nova fonte inesgotável de energia”.
