Físicos identificam uma membrana quântica na fusão de buracos negros

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Físicos identificam uma membrana quântica na fusão de
buracos negros
A existência de uma membrana quântica é prevista por algumas teorias da gravidade, e os cientistas
podem estar um passo mais perto de identificar uma.
Crédito da imagem: ESA
Uma equipe internacional de físicos analisou a estrutura de uma onda gravitacional emitida por dois
buracos negros em fusão e identificou um fenômeno há muito procurado: uma membrana quântica,
também conhecida como horizonte esticado, que existe apenas fora do horizonte de eventos, e cuja
existência presumivelmente afeta o comportamento de campos gravitacionais e não gravitacionais nas
proximidades de um buraco negro.
A existência de tal membrana é prevista por algumas teorias da gravidade quântica, um campo da física
teórica que procura descrever a gravidade usando os princípios da mecânica quântica.
A unificação da mecânica quântica e da relatividade geral – a teoria geométrica da gravidade – tem sido
um santo graal para os físicos há quase um século, e uma série de teorias para a gravidade quântica
foram propostas. Tal unificação é necessária para entender o que aconteceu em nosso universo nos
primeiros instantes de sua existência, e como resolver uma singularidade de densidade infinita nos
centros dos buracos negros.
https://www.space.com/17661-theory-general-relativity.html
https://www.space.com/quantum-gravity.html
https://www.advancedsciencenews.com/what-is-a-black-hole/
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A verificação experimental é extremamente complicada porque quase não há como estudá-la em
laboratório. A escala de energia típica na qual os efeitos da gravidade quântica se tornam importantes
são muitas ordens de magnitude superiores à energia das partículas que podem ser alcançadas em
colisores. É por isso que é muito importante encontrar outra maneira de estudar a gravidade quântica.
Os sistemas físicos cujo comportamento é mais provável de ser amplamente afetado pela gravidade
quântica são buracos negros – mesmo estudos puramente teóricos desses objetos levaram a um
progresso significativo no desenvolvimento do assunto. A descrição relativista geral clássica dos buracos
negros envolve o horizonte de eventos: uma superfície esférica que cobre a singularidade do espaço-
tempo. Nenhum sinal do interior do buraco negro pode atravessar o horizonte e alcançar um observador
distante, porque a gravidade do buraco negro é tão forte lá que nem a luz pode escapar.
Uma distância esperada entre o horizonte de eventos de um buraco negro e uma membrana quântica é
de ordem do comprimento de Planck, uma escala típica de comprimento da gravidade quântica, que é
muito menos do que o tamanho de um átomo como este último é menor do que o raio da órbita da Terra.
Os teóricos esperam que, a tais distâncias minúsculas, nossa compreensão atual do espaço-tempo
como uma entidade suave se desmorona, e uma teoria completa da gravidade quântica é necessária
para descrever quantitativamente o que acontece lá.
Se a membrana quântica existe, um fenômeno chamado eco gravitacional deve ocorrer. Um buraco
negro é cercado por uma barreira onde a forma do campo gravitacional do buraco negro é tal que
impede que qualquer coisa, incluindo as ondas gravitacionais – ondulações no tecido do espaço-tempo –
escape da vizinhança do horizonte.
Devido aos efeitos quânticos, uma onda gravitacional pode passar parcialmente por essa barreira, ao
mesmo tempo em que é parcialmente refletida de volta ao buraco negro. Mas se existe um horizonte
esticado fora do horizonte de eventos, a onda gravitacional que cai se reflete uma segunda vez e pode
passar pela barreira. Espera-se que o intervalo de tempo entre esses “ecos” da mesma onda esteja na
ordem de um segundo, mas o valor exato depende do tamanho de um buraco negro e da estrutura
precisa da membrana, que difere dependendo da teoria da gravidade quântica.
Uma maneira de investigar a estrutura do horizonte esticado é estudar ondas gravitacionais muito
poderosas, que são geradas quando dois buracos negros se inspiram e se fundem em um. Nos
milissegundos finais deste processo, alguns por cento da massa total dos buracos negros são liberados
como ondas gravitacionais. O poder desta radiação gravitacional às vezes excede o poder combinado
de todas as ondas de luz irradiadas por todas as estrelas do universo observável. Nos primeiros
momentos de sua vida, o buraco negro recém-formado se instala em uma forma estável oscilando e
emitindo mais ondas gravitacionais, com esse estágio de fusão chamado “ringdown”.
As ondas gravitacionais desta origem podem ser detectadas por observatórios gravitacionais, os mais
famosos dos quais são o LIGO americano e o European Virgo, localizado na Itália. Até agora, os
cientistas havedescobriram quase 50 eventos de fusão de buracos negros com esses dois detectores.
A fim de estudar experimentalmente a estrutura da membrana quântica, a equipe de físicos analisou um
desses eventos chamado GW19052 - o par mais massivo de buracos negros em fusão observados até o
momento. Neste caso, a energia total das ondas gravitacionais emitidas era igual a cerca de nove
massas do nosso Sol, levando a um toque excepcionalmente alto.
https://www.quantamagazine.org/the-most-famous-paradox-in-physics-nears-its-end-20201029/
https://www.discovermagazine.com/the-sciences/e-mc2-what-does-einsteins-most-famous-equation-mean
https://www.researchgate.net/publication/353573336_A_list_of_48_Binary_Black_Hole_mergers?channel=doi&linkId=6103de6e0c2bfa282a0e3796&showFulltext=true
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A análise da equipe foi capaz de identificar exatamente o que eles estavam procurando: um eco de onda
gravitacional no sinal que chegou ao detector aproximadamente 1,1 segundos após a porção principal
da radiação gravitacional. O eco foi bastante alto – ele carregava cerca de 10% da energia total da
radiação gravitacional emitida no evento de fusão.
Este é o estudo mais preciso de energia e forma de onda do eco de onda gravitacional pós-fusão até o
momento. Os físicos esperam que a próxima geração de detectores de ondas gravitacionais permita não
apenas detectar a membrana, mas também investigar sua estrutura em detalhes maiores, o que
permitirá que eles atraíssem uma conclusão definitiva sobre a teoria correta da gravidade quântica.
Referência: Jahed Abedi et al., GW190521: F irst Medição de Radiação de Falcões Estimulados de
Buracos Negros (2021). DOI: arXiv:2201.00047
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https://arxiv.org/abs/2201.00047
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