Uma nova pesquisa sugere que objetos extremos conhecidos como “kugelblitze” — buracos negros formados apenas por luz — são impossíveis em nosso universo, desafiando Teoria da relatividade geral de Einstein. A descoberta coloca restrições significativas nos modelos cosmológicos e demonstra como mecânica quântica e a relatividade geral podem ser reconciliadas para abordar questões científicas complexas.
Buracos negros — objetos massivos com uma atração gravitacional tão forte que nem mesmo a luz consegue escapar de suas garras — estão entre os objetos mais intrigantes e bizarros do universo. Normalmente, eles se formam a partir do colapso de estrelas massivas no final de seus ciclos de vida, quando a pressão das reações termonucleares em seus núcleos não consegue mais neutralizar a força de gravidade.
No entanto, existem hipóteses mais exóticas sobre a formação de buracos negros. Uma dessas teorias envolve a criação de um “kugelblitz”, alemão para “relâmpago globular”. (O plural é “kugelblitze.”)
“Um kugelblitz é um buraco negro hipotético que, em vez de se formar a partir do colapso de ‘matéria comum’ (cujos principais constituintes são prótons, nêutrons e elétrons), é formado pela concentração de enormes quantidades de radiação eletromagnética, como a luz”, disse o coautor do estudo. José Polo-Gómezum físico da Universidade de Waterloo e do Instituto Perimeter de Física Teórica do Canadá, disse à Live Science por e-mail.
“Embora a luz não tenha massa, ela carrega energia”, disse Polo-Gómez, acrescentando que, na teoria da relatividade geral de Einstein, a energia é responsável por criar curvaturas no espaço-tempo que resultam em atrações gravitacionais. “Por causa disso, é em princípio possível que a luz forme buracos negros — se concentrarmos o suficiente dela em um volume pequeno o suficiente”, disse ele.
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Esses princípios são verdadeiros sob a relatividade geral clássica, que não considera fenômenos quânticos. Para explorar o impacto potencial dos efeitos quânticos na formação do kugelblitz, Polo-Gómez e seus colegas examinaram a influência do efeito Schwinger.
“Quando há uma energia eletromagnética incrivelmente intensa — por exemplo, devido a grandes concentrações de luz — parte dessa energia se transforma em matéria na forma de pares elétron-pósitron”, disse o principal autor do estudo. Álvaro Álvarez-Domínguez do Instituto de Física de Partículas e Cosmos (IPARCOS) da Universidade Complutense de Madrid, disse ao Live Science em um e-mail. “Este é um efeito quântico chamado efeito Schwinger. Também é conhecido como polarização do vácuo.”
Em seus estudarque foi aceito para publicação na revista Cartas de revisão física mas ainda não foi publicado, a equipe calculou a taxa na qual pares elétron-pósitron produzidos em um campo eletromagnético esgotariam energia. Se essa taxa ultrapassar a taxa de reposição da energia do campo eletromagnético em uma determinada região, um kugelblitz não pode se formar.
A equipe descobriu que, mesmo nas circunstâncias mais extremas, a luz pura nunca conseguiria atingir o limite de energia necessário para formar um buraco negro.
“O que provamos é que é impossível formar kugelblitze concentrando luz, seja artificialmente em laboratório ou em cenários astrofísicos naturais”, disse o coautor do estudo. Luis J. Garaytambém do IPARCOS, disse à Live Science. “Por exemplo, mesmo se usássemos o mais intenso lasers na Terra, ainda estaríamos a mais de 50 ordens de magnitude de distância da intensidade necessária para criar um kugelblitz.”
Essa descoberta tem profundas implicações teóricas, restringindo significativamente modelos astrofísicos e cosmológicos considerados anteriormente que assumem a existência de kugelblitze. Ela também frustra qualquer esperança de estudar experimentalmente buracos negros em ambientes de laboratório, criando-os por meio de radiação eletromagnética.
No entanto, o resultado positivo do estudo mostra que os efeitos quânticos podem ser integrados de forma eficiente em problemas que envolvem gravidade, fornecendo assim respostas claras para questões científicas reais.
“Do ponto de vista teórico, este trabalho mostra como os efeitos quânticos podem desempenhar um papel importante na compreensão dos mecanismos de formação e aparência de objetos astrofísicos”, disse Polo-Gómez.
Inspirados por suas descobertas, os pesquisadores planejam continuar explorando a influência dos efeitos quânticos em vários fenômenos gravitacionais, que têm significado prático e fundamental.
“Vários de nós estamos muito interessados em continuar o estudo das propriedades gravitacionais da matéria quântica, particularmente em cenários onde essa matéria quântica viola as condições energéticas tradicionais”, disse Eduardo Martín-Martíneztambém da Universidade de Waterloo e do Perimeter Institute. “Este tipo de matéria quântica pode, em princípio, dar origem a espaços-tempos exóticos, resultando em efeitos como gravidade repulsiva ou produzindo soluções exóticas como o motor de dobra de Alcubierre ou buracos de minhoca atravessáveis.”