Evidência observacional confirma importante teorema do físico Stephen Hawking
Em um estudo publicado no periódico Physical Review Letters (1), pesquisadores reportaram a primeira confirmação observacional do Teorema da Área de Hawking, 50 anos após ser primeiro proposto. A confirmação do teorema - de fundamental importância para um melhor entendimento dos buracos negros - foi possível após análise das ondas gravitacionais associadas à fusão de dois buracos negros e detectadas em 2015.
Em 1971, o famoso físico Stephen Hawking (1942-2018) propôs o Teorema da Área, o qual possui implicações fundamentais para a mecânica dos buracos negros e também para a gravidade clássica e quântica. O teorema prediz que a área total do horizonte de eventos de um buraco negro clássico nunca deve diminuir com o tempo. Essa proposta possui um curioso paralelo com a Segunda Lei da Termodinâmica, a qual afirma que a entropia - medida de dispersão energética dentro de um sistema a uma determinada temperatura - de um sistema fechado e isolado nunca deve diminuir. De fato, esse teorema é também chamado de Segunda Lei do Buraco Negro, e é uma consequência da Relatividade Geral e da hipótese da censura cósmica.
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A similaridade entre as duas teorias sugere naturalmente que os buracos negros podem se comportar como objetos térmicos e emissores de calor - uma ideia que entra em conflito com uma visão mais antiga, e eventualmente demonstrada errônea, de que buracos negros são corpos que nunca deixam energia escapar. Em 1974, Hawking uniu as duas propostas teóricas, mostrando que buracos negros podem ter entropia e emitir radiação no decorrer de longas escalas de tempo se efeitos quânticos associados a esses corpos forem levados em conta. Esse fenômeno foi chamado de "Radiação de Hawking" e permanece como uma das mais fundamentais revelações sobre buracos negros.
Hawking e outros físicos teóricos conseguiram demonstrar o Teorema da Área em termos matemáticos, mas, até o momento, não tínhamos observação prática do teorema.
Se o Teorema da Área é obedecido por buracos negros em processo de fusão observados, por exemplo, pelos detectores de ondas gravitacionais LIGO e Virgo (!), então a área combinada dos horizontes de eventos de ambos os buracos negros progenitores não pode exceder aquela do buraco negro remanescente produzido pela fusão. Portanto, ondas gravitacionais podem fornecer confirmação observacional da predição de Hawking.
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Nesse sentido, no novo estudo, os pesquisadores analisaram os dados gerados pelo LIGO relativos às ondas gravitacionais geradas pelo evento de fusão GW150914, visando determinar a mudança na área total do buraco negro resultante.
Os pesquisadores usaram as reverberações ("ringdown") do pós-evento para identificar frequências específicas e, então, calcular a massa e o spin do buraco negro final. A massa e o spin de um buraco negro são diretamente relacionados com a área do horizonte de eventos. Com os dados em mãos, eles compararam esse horizonte de eventos com os horizontes de eventos dos buracos negros originais (sinais do pré-evento). A área somada do horizonte de eventos inicial era em torno de 235 mil quilômetros quadrados, enquanto que a área do horizonte de eventos final encontrada era equivalente a 367 mil quilômetros quadrados.
Os resultados do estudo mostraram com elevada confiança que a área aumentou após a fusão, e que o Teorema da Área foi satisfeito com uma probabilidade muito alta (>95%).
(1) Publicação do estudo: Isi et al. (2021). Testing the Black-Hole Area Law with GW150914. Physical Review Letters, 127(1). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.011103
Reviewed by Saber Atualizado
on
setembro 13, 2021
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