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Singularidades dentro de buracos negros realmente existem? Entenda a polêmica

Uma das maiores incógnitas do universo é o que acontece dentro de um buraco negro. Algumas coisas podem ser deduzidas pela matemática e teorias já bem estabelecidas, mas uma delas é motivo de grande discórdia entre os cientistas: a singularidade.

Na Teoria da Relatividade Geral, a singularidade em um buraco negro é inevitável e causa debates incansáveis. De um lado, há cientistas teóricos que defendem essa hipótese e, do outro, os que rejeitam a ideia. Infelizmente para quem quer uma resposta definitiva, ambos estão certos — por enquanto.

Em 1966, Stephen Hawking publicou sua famosa tese de doutorado onde prova, por meio de equações matemáticas, que a suposição de que o espaço-tempo não conta com a singularidade “deve ser falsa”.

Ao lado de Robert Penrose, premiado com o Nobel da Física em 2020, Hawking criou os teoremas de singularidade Penrose-Hawking. Trata-se de um conjunto de resultados em relatividade geral que responde se a singularidade realmente existe. A conclusão da dupla é: sim, ao menos na matemática.

O problema é que a matemática da relatividade geral é bastante permissiva, isto é, “aceita” muitas hipóteses inviáveis no universo real. Um bom exemplo disso são os buracos de minhoca, que podem ser “comprovados” pela teoria de Einstein, mas na realidade exigem condições que parecem inexistentes.

Afinal, o que é a singularidade?

Uma singularidade é um ponto no espaço onde existe massa com densidade infinita e curvatura infinita no espaço-tempo. Elas se formam quando uma matéria ganha densidade o suficiente para colapsar em sua própria gravidade.

Buracos negros são o melhor exemplo de lugares onde a singularidade pode existir. Eles surgem quando estrelas colapsam sobre seu próprio peso, reduzindo de volume até ocupar um espaço muito pequeno, mas conservando toda a sua massa.

Imagine isso acontecendo com nosso planeta (fique tranquilo, é impossível que ocorra de verdade com a Terra). Ele colapsaria até se transformar em uma pequena bola inferior a 9 mm, mas conservaria toda a sua massa e, portanto, seu campo gravitacional. Nesse ponto, a Terra se transformou em um buraco negro.

Se caírmos em um buraco negro, nosso corpo seria reduzido a partículas sub-atômicas e colapsaria na singularidade (Imagem: Reprodução/Daniele Cavalcante/Gerd Altmann/Pixabay)
Se caírmos em um buraco negro, nosso corpo seria reduzido a partículas sub-atômicas e colapsaria na singularidade (Imagem: Reprodução/Daniele Cavalcante/Gerd Altmann/Pixabay)

Agora, imagine uma “camada” invisível correspondente à superfície, exatamente onde estamos agora. A atração gravitacional do buraco negro continuaria a mesma, então, se estivermos nessa camada, cairíamos no buraco negro da mesma forma que caímos de um penhasco — exceto que, nesse caso, o penhasco não teria fim. Ou melhor, terminaria na região que hoje chamamos de núcleo do planeta.

Isso não aconteceria com a Lua, por exemplo, porque a atração gravitacional do buraco negro-Terra não mudaria. Ela apenas se torna cada vez mais forte à medida que nos aproximamos da região onde ficava o extinto núcleo do planeta.

Quanto mais caímos em direção ao ex-núcleo, mais rápida será nossa viagem (novamente, graças às regras da gravidade), assim como mais rápidos teríamos que ser para escapar de atravessar o horizonte de eventos — o ponto de onde nada no universo pode fugir.

Em qualquer mundo, a aceleração gravitacional causada por sua massa M está relacionada ao raio R. A fórmula para descobrir a aceleração gravitacional é g = GM/R 2, onde G é a constante gravitacional. Na superfície da Terra, a aceleração gravitacional é 9,8 m/s², mas, no buraco negro-Terra, a aceleração gravitacional g se torna maior à medida que caímos no espaço que se tornou vazio rumo ao horizonte de eventos.

Dentro de um próton, quarks trocam de forças por meio de glúons que se movem à velocidade da luz. Dentro do horizonte de eventos de um buraco negro, essas partículas fundamentais também são inevitavelmente atraídas para a singularidade central (Imagem: Reprodução/Qashqaiilove/Wikimedia Commons)
Dentro de um próton, quarks trocam de forças por meio de glúons que se movem à velocidade da luz. Dentro do horizonte de eventos de um buraco negro, essas partículas fundamentais também são inevitavelmente atraídas para a singularidade central (Imagem: Reprodução/Qashqaiilove/Wikimedia Commons)

Quando o raio do nosso ex-planeta se reduz a zero, a aceleração vai para o infinito e absolutamente toda a massa da Terra se desfaz em um plasma concentrado nesse ponto sem volume. Isso é uma singularidade.

Não importa o quão rápido você se mova, quão rápido você acelere, você não pode escapar da singularidade após ultrapassar o horizonte de eventos. Isso vale para qualquer partícula, incluindo os fótons.

Claro, a Terra nunca se tornará um buraco negro, mas estrelas gigantes dezenas de vezes mais massivas que o Sol, sim — e isso ocorre o tempo todo no universo. Mas como cabe tanta matéria em um pontinho de raio zero? A resposta está na mecânica quântica.

Singularidade é inevitável

Toda a matéria cai inevitavelmente na mesma direção, rumo ao centro, e a velocidade aumenta drasticamente à medida que se aproxima do núcleo (Imagem: Reprodução/Andrew Hamilton/Jila /University Of Colorado)
Toda a matéria cai inevitavelmente na mesma direção, rumo ao centro, e a velocidade aumenta drasticamente à medida que se aproxima do núcleo (Imagem: Reprodução/Andrew Hamilton/Jila /University Of Colorado)

Além da relatividade geral resultar inevitavelmente em uma singularidade, a mecânica quântica, de certo modo, contribui com a ideia. Para entender isso melhor, dessa vez vamos usar uma estrela de nêutrons como exemplo.

Uma estrela de nêutrons é o que sobre de uma estrela maior que o Sol que explodiu em supernova, mas não tinha massa o suficiente para formar um buraco negro. Mesmo assim, tem massa o suficiente para se reduzir a uma bolota de nêutrons de apenas alguns quilômetros de diâmetro.

Por se tratar de objetos que quase poderiam se tornar buracos negros, as estrelas de nêutrons estão entre os objetos mais massivos do universo. Em outras palavras, a densidade delas é tão grande que não faz mais sentido considerar a matéria lá dentro como estruturas individuais e limitadas, mas sim como partículas fundamentais livres.

Nêutrons são partículas formadas por quarks e glúons, que, em circunstâncias normais, nunca estão “livres”. Mas eles podem ser os únicos componentes do núcleo de uma estrela de nêutrons. Com os átomos esmagados, as partículas subatômicas, antes separadas pelas forças quânticas, podem agora interagir entre si.

Isso já elimina o espaço entre o núcleo atômico e os elétrons (que, por sinal, é um espaço amplo em escalas quânticas). Mas, claro, é preciso muita pressão externa criada pela gravidade para superar as forças quânticas que mantêm as estruturas dos átomos.

Quanto mais a matéria cai rumo à singularidade, maior será a velocidade necessária para escapar dela; após a barreira do horizonte de eventos, essa velocidade é superior à da luz (Imagem: Reprodução/Nasa/Cosmocurio Of Wikimedia Commons)
Quanto mais a matéria cai rumo à singularidade, maior será a velocidade necessária para escapar dela; após a barreira do horizonte de eventos, essa velocidade é superior à da luz (Imagem: Reprodução/Nasa/Cosmocurio Of Wikimedia Commons)

Se aplicarmos ainda mais massa, os nêutrons também se desfazem, restando apenas quarks e glúons livres. Eles ainda devem obedecer a forças quânticas que os separam, mas, quando o objeto cruza o limite de massa crítica para se tornar um buraco negro, as coisas ficam mais complexas.

Não importam as propriedades do buraco negro, a matéria sempre cairá em direção ao ponto central — não há outra escolha. A partir do momento em que cruzam o horizonte de eventos do buraco negro, todas as partículas caem em direção a um único ponto central: a singularidade.

O motivo para isso é que o campo gravitacional dentro do horizonte de eventos é tão forte, e a aceleração da gravidade é tão alta, que as partículas caindo no buraco negro não podem exercer nenhum tipo de força ou efeito que propague para fora.

Bem, isso ainda não explica como pode caber tanta massa em um objeto tão pequeno. Para entender isso, temos que nos lembrar que a matéria em si não é uma coisa sólida, e sim um punhado de partículas unidas, mas também separadas, por forças quânticas.

Anatomia de um buraco negro com disco de acreção. A singularidade é um ponto unidimensional localizado no centro dentro do horizonte de eventos (Imagem: Reprodução/NASA’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman)
Anatomia de um buraco negro com disco de acreção. A singularidade é um ponto unidimensional localizado no centro dentro do horizonte de eventos (Imagem: Reprodução/NASA’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman)

Quando o buraco negro se forma e a matéria cai em seu horizonte de eventos, os átomos são espremidos com tanta pressão gravitacional que todas as forças quânticas são superadas, fazendo com que sobrem apenas quarks, glúons, elétrons e fótons na forma de nuvens em sobreposição umas às outras.

Finalmente, aqui é onde a física se quebra, pois, ao ser reduzida nessas nuvens, a própria noção de um objeto deixa de fazer sentido. O buraco negro é, na verdade, não um objeto, mas uma grande distorção no espaço-tempo causada por um ponto de densidade infinita e raio zero.

Não apenas isso, mas a própria gravidade vai ao infinito. A singularidade é um lugar que existe e não existe ao mesmo tempo, embora a física quântica mostre que um ponto não tridimensional localizado no espaço significa uma precisão infinita de posição — algo que não pode existir.

Considerando tudo isso, nada que caia no buraco negro escapa de se juntar à singularidade e fazer parte dela. Até mesmo você e eu teríamos nossos tecidos, moléculas e átomos desfeitos até nos transformarmos em um nada infinitamente massivo.

Uma relação de amor e ódio

Estrutura de um buraco negro (Imagem: Reprodução/NASA/JPL-Caltech/AFP/Eventhorizontelescope.org)
Estrutura de um buraco negro (Imagem: Reprodução/NASA/JPL-Caltech/AFP/Eventhorizontelescope.org)

Tudo isso está correto na teoria, exceto que nada disso é real. Ao menos é o que os “opositores” da singularidade dizem. E eles estão certos — no universo, o infinito não faz sentido. Nem mesmo na matemática algo assim funciona, por isso os físicos a amam e a odeiam.

Isso significa que tudo isso é inútil? De jeito nenhum! Se uma teoria prevê a existência de singularidades (como é o caso da relatividade geral), é porque ela provavelmente está incompleta ou é limitada. E está tudo bem. A teoria de Einstein e a mecânica quântica descrevem o universo de modo esplêndido, mas os cientistas ainda estão em busca da “teoria de tudo”.

Essas duas teorias ainda são incompatíveis. A relatividade geral de Einstein não se aplica em escalas quânticas, assim como a física quântica não diz nada sobre a gravidade em grandes escalas. Mas ambos podem funcionar dentro de um buraco negro, daí tanto interesse de cientistas no assunto.

O grande valor nesse debate está nas portas que a singularidade abre, independente de existir ou não. Se ela existir, será preciso uma nova teoria para explicá-la, sem invalidar tudo o que já foi descoberto sobre o universo. Se não existir, as teorias atuais precisam ser, no mínimo, atualizadas para se tornarem menos permissivas.

Na pior (ou melhor, dependendo do ponto de vista) das hipóteses, a singularidade é consequência de uma teoria falha, e essa seria uma boa notícia. É que, se os cientistas tiverem que atualizar ou mesmo substituir as ideias de Einstein, eles poderiam finalmente unificar a gravitação universal e a mecânica quântica.

Ninguém sabe o que existe dentro do buraco negro porque é impossível observá-lo. Apesar de arbitrária, essa realidade tem sua beleza. A natureza, segundo o filósofo Heráclito, adora se esconder e nós, humanos, adoramos investigar. Quanto mais um segredo estiver escondido, mais maravilhados podemos ficar ao desvendá-lo.

Fonte: Canaltech

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