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Pode haver uma maneira mais fácil de descrever como os buracos negros “vazam” energia do que a teoria proposta por Stephen Hawking – e o processo recentemente proposto é semelhante ao modo como descrevemos uma panela de água fervente. Esta descrição simples (bem, relativamente simples) poderia ser usada para modelar buracos negros em muitas situações, como durante a sua formação, fusão com outros buracos negros, eventual evaporação e até morte explosiva.

Na década de 1970, o lendário físico teórico Stephen Hawking escreveu uma carta à revista Nature intitulada “Explosões de buracos negros?” explicando como esses objetos podem vazar radiação térmica, vaporizar e eventualmente implodir no final de suas vidas. Essa radiação acabou ficando conhecida como radiação Hawking.

Mas em novas pesquisas, os cientistas propuseram uma alternativa à radiação Hawking. Envolve descrever o aumento da desordem ou entropia dos buracos negros. Água fervente, por exemplo, também é frequentemente descrita em termos de aumento de entropia. Para os buracos negros, esta medida de entropia está ligada a características como spin e energia, o que significa que pode ser usada para compreender como estes titãs cósmicos respondem a vários eventos.

“As leis de Hawking sobre a mecânica dos buracos negros forneceram uma ligação satisfatória entre a física extrema e a física comum e têm sido um paradigma durante 50 anos, mas têm uma limitação séria”, disse o líder da equipa, Abhay Ashtekar, do Eberly College of Science da Penn State University, num comunicado. “Eles foram formulados para buracos negros em equilíbrio – ou invariantes no tempo – mas os buracos negros estão em constante mudança; eles se formam, se fundem e eventualmente evaporam. Queríamos encontrar uma maneira de superar essa limitação e estender as leis aos buracos negros que estão fora de equilíbrio.”

Buracos negros, Einstein e Hawking

Para investigar as origens dos buracos negros, temos que voltar ao físico mais famoso da história (desculpe, Hawking, você é o número dois), Albert Einstein.

Em 1915, Einstein descobriu sua teoria da gravidade, a relatividade geral. Uma das consequências das equações subjacentes a essa teoria foi a possibilidade de uma singularidade, o ponto em que as equações da relatividade geral vão para o infinito. Isto representa o coração do buraco negro.

Outra consequência das equações da relatividade geral é a região do espaço em torno desta singularidade onde a gravidade é tão extrema que a velocidade de saída dessa região aumenta para um valor superior à velocidade da luz. Essa região é o limite exterior do buraco negro que retém luz, conhecido como horizonte de eventos, que nos impede de ver ou receber informações da singularidade no coração do buraco negro. Na verdade, até o trabalho de Hawking em 1974, propunha-se que nada poderia escapar de um buraco negro.

“As leis da mecânica dos buracos negros vieram diretamente das equações de Einstein”, disse o membro da equipe Daniel E. Paraizo, estudante de graduação em física na Penn State. “Como não podemos ver dentro de um buraco negro, parecia que poderia haver um número infinito de maneiras de fazer um buraco negro, tornando a sua entropia também infinita. Também se pensava que eles absorviam apenas energia e nunca irradiavam, por isso a sua temperatura era zero.”

No entanto, o advento da radiação Hawking mudou um pouco este paradigma. Ao sugerir que os buracos negros na verdade irradiam energia térmica, Hawking os redefiniu de tal forma que de repente as leis da termodinâmica puderam ser aplicadas aos buracos negros.

“Isso mudou o pensamento sobre as propriedades termodinâmicas dos buracos negros, de um tipo de conceito matemático descrito por equações, para uma realidade mais física”, disse Paraizo. “Isso abriu a porta para encontrar análogos de entropia e temperatura de buracos negros usados ​​​​na termodinâmica.”

Na receita de Hawking para buracos negros, a área do horizonte de eventos é proporcional à sua temperatura e entropia, e inversamente proporcional à sua massa e rotação.

“No entanto, há um problema”, disse Jonathan Shu, membro da equipe, também da Penn State, em comunicado. “Estas analogias só funcionam realmente para um buraco negro que está em equilíbrio. Em situações dinâmicas, os horizontes de eventos podem formar-se e crescer no que chamamos de regiões planas do espaço-tempo, onde nada acontece.”

Shu acrescentou que a consequência é que as propriedades dos buracos negros não podem ser determinadas apenas pela física local dos buracos negros. Em vez disso, a determinação das propriedades dos buracos negros depende da previsão de eventos que podem ou não ocorrer no futuro.

“Portanto, a área do horizonte de eventos não pode ser uma medida da entropia física de buracos negros dinâmicos”, argumentou Shu. “Se quisermos compreender os buracos negros que crescem, evaporam e se fundem, precisamos de uma alternativa viável.”

Para a equipe, isso significou substituir o horizonte de eventos do buraco negro por algo que eles chamam de “horizonte dinâmico”, que já é usado quando os cientistas simulam buracos negros. Agora, a primeira lei da termodinâmica – que afirma que a energia de um sistema fechado não pode ser criada ou destruída, mas apenas mudar de forma – pode ser aplicada aos buracos negros mesmo quando estes estão envolvidos em operações dinâmicas. Isto também significa que os buracos negros estão sujeitos à segunda lei da termodinâmica, que afirma que a entropia total de um sistema isolado aumentará sempre ao longo do tempo, durante o seu nascimento, fusão e morte.

“Isso nos permite estender a primeira e a segunda leis da termodinâmica aos buracos negros em desequilíbrio, superando as limitações do paradigma que está em uso há mais de meio século”, disse Ashtekar. “Podemos aplicar essas leis generalizadas para entender melhor a evaporação dos buracos negros na teoria quântica e nas fusões de buracos negros.”

A pesquisa da equipe foi publicada em junho na revista Physical Review Letters.