Os Buracos negros devem ter singularidades, diz a relatividade de Einstein

A menos que você possa fazer uma força que viaja mais rápido do que a velocidade da luz, uma singularidade é inevitável.

Dentro de um buraco negro, a curvatura do espaço-tempo é tão grande que a luz não pode escapar, nem partículas, sob quaisquer circunstâncias. Uma singularidade, baseada em nossas leis da física atual, deve ser uma inevitabilidade. Crédito da imagem: Usuário da Pixabay JohnsonMartin.

Quanto mais massa você coloca em um pequeno volume de espaço, mais forte é a atração gravitacional. De acordo com a teoria geral da relatividade de Einstein, existe um limite astrofísico para o quão denso pode obter e ainda é um objeto macroscópico tridimensional. Exceda esse valor crítico e você está destinado a se tornar um buraco negro: uma região de espaço onde a gravitação é tão forte que você cria um horizonte de eventos e uma região de onde nada pode escapar. Não importa o quão rápido você se mude, com que rapidez você acelera, ou mesmo se você se move no limite máximo de velocidade do Universo — a velocidade da luz — você não pode sair. Muitas vezes, as pessoas se perguntaram se poderia haver uma forma estável de matéria ultra densa dentro desse horizonte de eventos que se depara com o colapso gravitacional e se uma singularidade é verdadeiramente inevitável. Mas se você aplicar as leis da física como as conhecemos hoje, você não pode evitar uma singularidade. Aqui está a ciência por trás do motivo.

A estrela de nêutrons de rotação muito lenta no núcleo do remanescente de supernova RCW 103 também é um magnetar. Em 2016, novos dados de uma variedade de satélites confirmaram isso como a estrela de nêutrons com rotação mais lenta já encontrada. Mais supernovas maciças podem criar um buraco negro, mas as estrelas de nêutrons podem ser os objetos físicos mais densos que a natureza pode criar sem uma singularidade. Crédito de imagem: raio-X: NASA / CXC / University of Amsterdam / N.Rea et al; Óptica: DSS.

Imagine o objeto mais denso que você pode fazer que ainda não é um buraco negro. Quando as estrelas maciças são supernova, elas podem fazer um buraco negro (se estiverem acima de um limite crítico), mas mais comumente verá seus colapsos se formarem para formar uma estrela de nêutrons. Uma estrela de nêutrons é basicamente um enorme núcleo atômico: uma coleção unida de nêutrons mais maciça do que o Sol, mas contida em uma região do espaço a poucos quilômetros de distância. É concebível que, se você exceder a densidade permitida no núcleo de uma estrela de nêutrons, pode passar para um estado de matéria ainda mais concentrado: um plasma de quark-glúon, onde as densidades são tão grandes que não faz mais sentido considerar a Importa-la como estruturas individuais e vinculadas.

Uma anã branca, uma estrela de nêutrons ou mesmo uma estranha estrela de quark ainda são feitas de fermions. A pressão da degeneração de Pauli ajuda a manter o restante estelar contra o colapso gravitacional, evitando a formação de um buraco negro. Crédito da imagem: CXC / M. Weiss.

Por que, no entanto, podemos ter qualquer matéria, dentro do núcleo de um objeto tão denso? Porque algo deve estar exercendo uma força externa, mantendo o centro contra o colapso gravitacional. Para um objeto de baixa densidade como a Terra, a força eletromagnética é suficiente para fazê-lo. Os átomos que temos são feitos de núcleos e elétrons, e os reservatórios de elétrons se empurram um contra o outro. Porque temos a regra quântica do Princípio de Exclusão de Pauli , que impede que dois fermions idênticos (como elétrons) ocupem o mesmo estado quântico. Isto é válido para a matéria tão densa como uma estrela anã branca, onde um objeto de massa estelar pode existir em um volume não superior ao tamanho da Terra.

Uma comparação precisa de tamanho / cor de uma anã branca (L), a Terra refletindo a luz do Sol (meio) e uma anã negra (R). Quando as anãs brancas finalmente irradiam o último de sua energia, todos tornarão-se anãs negras. A pressão de degeneração entre os elétrons dentro da anã branca / preto, no entanto, sempre será suficientemente grande, desde que não acumule muita massa, para evitar que ele colapse mais. Crédito de imagem: BBC / GCSE (L) / SunflowerCosmos (R).

Se você colocar muita massa em uma estrela anã branca, no entanto, os próprios núcleos individuais sofrerão uma reação de fusão desenfreada; Há um limite para o quão enorme uma estrela anã branca pode obter. Em uma estrela de nêutrons, não há átomos no núcleo, mas sim um enorme núcleo atômico, feito quase exclusivamente de nêutrons. Os nêutrons também atuam como fermions — apesar de serem partículas compostas — e as forças quânticas também trabalham para mantê-los contra o colapso gravitacional. É possível, além disso, imaginar outro estado, ainda mais denso: uma estrela de quark, onde os quarks individuais (e os glúons livres) interagem uns com os outros, obedecendo à regra de que nenhuma das duas partículas quânticas idênticas pode ocupar o mesmo estado quântico.

Os estados de energia dos elétrons para a configuração de energia mais baixa possível de um átomo de oxigênio neutro. Como os elétrons são fermions, não bosons, eles não podem existir no estado do solo (1s), mesmo em temperaturas arbitrariamente baixas. Esta é a física que impede que dois fermions ocupem o mesmo estado quântico, e mantém a maioria dos objetos contra o colapso gravitacional. Crédito da imagem: CK-12 Foundation e Adrignola do Wikimedia Commons.

Mas há uma realização chave no mecanismo que impede o colapso da matéria a uma singularidade: as forças devem ser trocadas. O que isso significa, se você tentar visualizá-lo, é que a força que transporta partículas(como fótons, glúons, etc.) deve ser trocada entre os vários fermions no interior do objeto.

As trocas de força dentro de um próton, mediadas por quarks coloridos, só podem mover-se à velocidade da luz; não mais rápido. Dentro do horizonte de eventos de um buraco negro, essas geodésicas claras são inevitavelmente atraídas pela singularidade central. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Qashqaiilove.

A questão é que existe um limite de velocidade para a rapidez com que esses operadores de força podem ir: a velocidade da luz. Se você deseja que uma interação funcione ao ter uma partícula interior forçada a exercer uma força externa sobre uma partícula exterior, é necessário que haja alguma maneira de uma partícula viajar ao longo desse caminho externo. Se o espaço-tempo contendo suas partículas estiver abaixo do limite de densidade necessário para criar um buraco negro, isso não é problema: mover a velocidade da luz permitirá que você tire essa trajetória externa.

Mas e se o seu espaço-tempo atravessar esse limite? E se você criar um horizonte de eventos e ter uma região de espaço onde a gravidade é tão intensa que, mesmo que você se movesse à velocidade da luz, você não poderia escapar?

Qualquer coisa que se encontre dentro do horizonte de eventos que rodeia um buraco negro, não importa o que mais esteja acontecendo no Universo, se encontrará sugada para a singularidade central. Crédito da imagem: Bob Gardner / ETSU.

De repente, não há nenhum caminho que funcione! A força gravitacional trabalhará para puxar essa partícula exterior para dentro, mas, nessas condições, a partícula transportadora de força proveniente da partícula interior simplesmente não pode se mover para fora. Dentro de uma região bastante densa, até mesmo as partículas sem massa não têm para onde ir, exceto para os pontos mais internos possíveis; eles não podem influenciar os pontos exteriores. Assim, as partículas exteriores não têm escolha senão cair, mais perto da região central. Não importa como você configurou, cada única partícula dentro do horizonte do evento inevitavelmente termina em um local singular: a singularidade no centro do buraco negro.

Depois de atravessar o limiar para formar um buraco negro, tudo dentro do horizonte do evento se resume a uma singularidade que, no máximo, é unidimensional. Nenhuma estrutura 3D pode sobreviver intacta. Crédito da imagem: pergunte ao Departamento de Física Van / UIUC.

Enquanto as partículas — incluindo as partículas portadoras de força — são limitadas pela velocidade da luz, não há como ter uma estrutura estável e não singular dentro de um buraco negro. Se você pode inventar uma força tachyônica, ou seja, uma força mediada por partículas que se movem mais rápido do que a luz, você pode criar uma, mas, até o momento, não se verificaram que existem partículas reais e semelhantes a tachyon. Sem isso, o melhor que você pode fazer é “manchar fora” sua singularidade em um objeto unidimensional, semelhante a um anel (devido ao momento angular), mas isso ainda não lhe dará uma estrutura tridimensional. Enquanto suas partículas forem maciças ou sem massa, e obedecer às regras da física que conhecemos, uma singularidade é uma inevitabilidade. Não pode haver partículas reais, estruturas ou entidades compostas que sobrevivem a uma viagem até um buraco negro. Em segundos, Tudo o que você pode ter é uma singularidade.

Artigo publicado originalmente na Forbes por Ethan Siegel

Tradução e Divulgação por Elton Wade