As pessoas adoram imaginar que as coisas que não entendem estão de alguma forma conectadas umas às outras. Por exemplo, mecânica quântica e consciência, ou alienígenas e pirâmides, ou buracos negros e matéria escura, ou matéria escura e energia escura, energia escura e buracos negros. Normalmente, não há nenhuma relação real, mas esse último par—buracos negros e energia escura sendo a mesma coisa—recebeu algum hype recente na mídia. Vamos ver se isso pode realmente ser verdade.
Aqui está a ideia em poucas palavras. Buracos negros são aparentemente feitos de energia escura. À medida que o universo se expande, os buracos negros nesse espaço em expansão ganham massa proporcional ao aumento do volume do universo. Isso resulta em duas coisas: uma, os buracos negros devem crescer mais rápido do que esperamos com base apenas no que eles consomem. E dois: os buracos negros poderiam realmente ser a causa da expansão acelerada do universo. Esta é a afirmação em um artigo dos astrofísicos da Universidade do Havaí Duncan Farrah e Kevin Croker e sua equipe.
Agora, para realmente avaliar se devemos descartar isso ou prestar atenção, temos que seguir o rastro dos artigos científicos. Muito, muito para trás. A semente dessa ideia veio de um pequeno artigo de meados dos anos 60 do físico russo Erast Gliner, alguém de quem você provavelmente nunca ouviu falar. De fato, poucas pessoas ouviram falar de Gliner, mas esse trabalho levou a uma maneira alternativa de pensar sobre a natureza do nada, e preparou o palco para nossas teorias tanto da inflação cósmica quanto da energia escura.
Um pouco de história da ciência—coisas que já abordamos antes, se você estiver interessado em mais detalhes. Logo após Einstein ter proposto sua teoria geral da relatividade, outro físico russo, Alexander Friedman, resolveu suas equações para todo o universo. As equações resultantes de Friedman previam que o universo deveria estar se expandindo ou contraindo—o que Einstein notoriamente não gostou, então ele adicionou algo chamado constante cosmológica à relatividade geral para que o universo descrito pela solução de Friedman tivesse o potencial de ser estático. O universo, é claro, foi subsequentemente mostrado como sendo expansivo, então a ideia da constante cosmológica foi amplamente ignorada por anos.
Mas Erast Gliner percebeu que a constante cosmológica poderia ser interpretada como uma energia no tecido do espaço em si—uma energia do vácuo—e que essa substância teria propriedades bizarras. Por exemplo, possuir pressão negativa. O vácuo energético de Gliner tornou-se uma parte fundamental da ciência da cosmologia. É o mecanismo matemático por trás da inflação cósmica—a taxa de expansão extrema que muitos cosmologistas acreditam ter iniciado o Big Bang—e por trás da energia escura, a influência misteriosa que atualmente está causando a aceleração da expansão do universo. O que, a propósito, nos diz que a constante cosmológica é, em certo sentido, real, mesmo que Einstein a tenha adicionado às suas equações pelos motivos errados.
O artigo de Gliner de 1966 mudou a cosmologia com essa nova maneira de pensar sobre a constante cosmológica. Mas havia outra nota bastante menor nesse artigo. Uma que enviou um punhado de cientistas para um incomum trilho de pensamento que leva ao resultado que estamos discutindo hoje. Gliner especulou que seu vácuo energético poderia ser um ponto final do colapso gravitacional. Se assim for, talvez essa substância também descreva o interior dos buracos negros.
Agora, na relatividade geral regular, um buraco negro ocorre quando um objeto atinge uma densidade tão alta que um horizonte de eventos se forma ao seu redor—uma superfície abaixo da qual escapar do campo gravitacional do objeto é impossível. Na relatividade geral padrão, a matéria que colapsa em um buraco negro acaba sendo esmagada em um ponto infinitesimal de densidade infinita—a singularidade no centro do buraco negro. Mas a previsão da singularidade na relatividade geral é um pouco estranha, porque isso traz a teoria em um conflito sem esperança com a mecânica quântica, por razões que já discutimos antes. Muitas pessoas tentaram encontrar maneiras de contornar essa questão, por exemplo, com buracos de minhoca ou as fuzzballs da teoria das cordas.
A percepção de Gliner dá outra maneira de resgatar a matéria em colapso de quebrar as leis da mecânica quântica. Se essa matéria pode se transmutar em uma energia bruta do vácuo, então a pressão negativa resultante pode potencialmente neutralizar o colapso gravitacional, prevenindo a singularidade. Várias versões dessa ideia foram propostas ao longo dos anos. Por exemplo, temos a estrela de energia escura de George Chapline e Robert Laughlin, ou a gravastar de Pawel Mazur e Emil Mottola. O nome geral para essas coisas é GEODE—objeto genérico de energia escura.
Os GEODEs funcionam como buracos negros em muitos aspectos—incluindo serem fontes compactas e intensas de gravidade que são quase completamente invisíveis. Eles também diferem em maneiras sutis que um dia podem ser detectáveis. Por exemplo, pode haver assinaturas nas ondas gravitacionais que eles emitem quando se fundem. Mas atualmente não temos nenhuma evidência observacional direta de que buracos negros sejam algo além das coisas previstas pela relatividade geral. Essa evidência é difícil de obter porque as leis da física tornam literalmente impossível ver abaixo do horizonte de eventos.
Mas se buracos negros são GEODEs, pode haver uma maneira furtiva de revelar sua natureza. Este é o aspecto do novo trabalho que é o mais controverso. Buracos negros regulares são fundamentalmente isolados. Do lado de fora, só podemos sentir seu campo gravitacional e carga elétrica. Um buraco negro só sabe sobre o que cai nele. Certamente não sabe o que o universo está fazendo muito longe do seu horizonte de eventos.
Mas de acordo com os cientistas por trás deste novo trabalho, um GEODE está conectado ao universo em escalas maiores. Em um artigo de 2021 liderado por Kevin Croker, eles encontraram uma nova maneira de olhar para as equações de Friedman que, segundo eles, demonstra algo muito surpreendente—regiões compactas de energia escura estão acopladas à expansão de todo o cosmos. Eles chamam isso de acoplamento cosmológico, e afirmam que, à medida que o universo cresce, um GEODE também cresce—que sua massa deve ser proporcional ao volume do universo. Ok, se isso for verdade, então “buracos negros” —vamos chamar os GEODEs de buracos negros a partir de agora—deveriam ter crescido enormemente desde o início do universo.
E essa é a afirmação do novo artigo de Farrah e colaboradores. Em particular, eles afirmam que os buracos negros supermassivos no centro das galáxias no universo moderno são grandes demais. Todas as galáxias têm esses “SMBHs”. Eles provavelmente começaram como buracos negros de tamanho médio da gigantesca primeira geração de estrelas no início do universo, e cresceram se fundindo com outros buracos negros e devorando ou “acretando” gás até atingirem milhões e até bilhões de vezes a massa do Sol.
A equipe afirma que sua amostra de SMBHs cresceu demais nos últimos 10 bilhões de anos ou mais para ser explicada apenas por acreção ou fusões. Mais precisamente, eles afirmam que as galáxias agora têm SMBHs que são muito maiores em relação à sua massa em estrelas do que as galáxias no passado. Em geral, galáxias maiores têm SMBHs maiores. Mas essa equipe afirma que a proporção entre a massa do buraco negro e a massa da galáxia mudou, com os buracos negros superando o crescimento das galáxias. E que esse crescimento extra é exatamente o esperado do “acoplamento cosmológico” — ou seja, devido ao fato de estarem conectados à expansão do universo. Eles afirmam ter 99,98% de confiança em excluir “acoplamento zero”.
Em um artigo separado de 2021, a mesma equipe também aponta que os buracos negros em fusão detectados pelo LIGO também são grandes demais—e novamente, pela quantidade esperada devido ao acoplamento cosmológico.
Tudo isso soa muito empolgante, certo? Mas espere, isso não é tudo. A equipe também afirma que esses buracos negros podem não apenas ser feitos de energia escura—eles podem literalmente ser energia escura. Ou seja, é a energia escura nos buracos negros que está causando a expansão acelerada do universo, em vez da energia do vácuo entre as galáxias.
Vamos ver como isso deve funcionar. A chave para o poder exponencialmente acelerador da energia escura é simplesmente sua densidade de energia constante. À medida que o universo se expande, a matéria normal e a matéria escura se diluem e sua influência gravitacional diminui. Mas a energia escura é geralmente descrita como uma propriedade do tecido do espaço em si, então quanto mais espaço você tem, mais energia escura há. O espaço em expansão realmente adiciona energia ao sistema. Por razões complicadas devido à relatividade ser estranha, isso causa expansão acelerada.
Ok, então se a energia escura não está no espaço em si, mas nos buracos negros, E se os buracos negros estão crescendo em massa com o universo em expansão, então você obtém o mesmo efeito. Embora os buracos negros fiquem mais distantes à medida que o espaço se expande, suas massas aumentam, então sua densidade de massa e densidade de energia permanecem constantes—assim como a energia escura regular. Por essa razão, eles devem se comportar como energia escura regular e causar expansão acelerada.
Então, esses buracos negros GEODEs poderiam ser numerosos o suficiente para explicar a energia escura? Isso é uma tarefa difícil, porque a energia escura compõe cerca de 70% da energia do universo. Por outro lado, a matéria regular compõe cerca de 5%, e a matéria regular é de onde os buracos negros supostamente vêm, através das mortes de estrelas massivas. Mas há uma maneira de contornar isso. Se você fizer buracos negros com matéria regular, e esses buracos negros crescerem com a expansão cósmica, então eles podem exceder esses 5%.
De qualquer forma, Farrah e equipe calculam a massa em buracos negros de todos os tipos que deveriam ter sido criados por estrelas moribundas ao longo da história do universo, depois calculam como esses deveriam ter crescido devido ao acoplamento cosmológico. Eles descobrem que não é tão difícil obter a quantidade necessária para a energia escura.
Então, essa é a ideia em poucas palavras. Que os interiores dos buracos negros contêm um vácuo energético que está acoplado à expansão do universo. Isso significa que os buracos negros crescem em massa com o universo em expansão, o que por sua vez faz com que ajam como energia escura regular e acelerem essa expansão.
Agora que temos isso claro, vamos desmontar essa ideia. Se pudermos. Precisamos abordar tanto o lado teórico quanto a evidência.
Do lado teórico, temos 1. a ideia de que os interiores dos buracos negros podem ser energia escura, e depois 2. que essa energia escura pode estar acoplada ao universo em escalas cósmicas. Para 1. Não há nenhuma evidência, nem um mecanismo físico particularmente convincente—mas é pelo menos plausível porque não entendemos os buracos negros completamente de qualquer maneira. Vamos apenas dar isso a eles por enquanto.
Agora, a ideia de que essa energia do vácuo interno está acoplada em escalas cósmicas parece ser o maior alcance de toda essa ideia. Normalmente, pensamos na relatividade geral como uma teoria puramente local. Isso significa que cada ponto no espaço-tempo só sabe sobre o que está acontecendo com seus pontos vizinhos. Isso significa que o interior e o exterior de um buraco negro só interagem através de informações que podem ser transmitidas através do horizonte de eventos por coisas que caem ou pela radiação Hawking que vaza. Mas esses mecanismos não permitem que os buracos negros sejam influenciados pelo universo em escalas cósmicas.
Buracos negros supermassivos estão nos centros das galáxias. O espaço-tempo imediato em que esses buracos negros vivem NÃO está se expandindo. A solução de expansão do universo para as equações de Einstein vem de assumir que a matéria está perfeitamente distribuída pelo universo. É uma aproximação que funciona nas maiores escalas.
A relatividade geral padrão parece negar a possibilidade de acoplamento cosmológico, no entanto, esses pesquisadores afirmam que sua reformulação das equações de Friedman permite essa comunicação estranha entre pequenas e grandes escalas. Isso é extremamente especulativo, e ninguém além dessa equipe publicou qualquer coisa que analise adequadamente essa conjectura. Do lado teórico, essa é a parte mais frágil.
No entanto, se os buracos negros realmente são feitos de energia do vácuo E esse acoplamento cosmológico estiver correto, então a parte sobre os buracos negros explicarem a energia escura é pelo menos teoricamente plausível. Embora isso exija que quase todos os buracos negros não estejam em galáxias, mas distribuídos uniformemente pelo universo, em vez de agrupados como as estrelas de onde vieram. Os autores afirmam que isso é possível, mas não temos tempo para destrinchar isso hoje.
Ok, a última coisa a analisar é a principal afirmação do artigo mais recente—a suposta evidência de que os buracos negros supermassivos cresceram tanto que devem estar acoplados à expansão cósmica. Para mais análise desse lado, confira o excelente vídeo da Dr. Becky sobre isso. Mas aqui está minha opinião. Esses caras não são os primeiros a tentar medir o crescimento dos buracos negros ao longo da história cósmica. Sabemos há muitos anos que há uma relação estreita entre a massa do buraco negro e a massa da galáxia, e por muitos anos as pessoas também têm tentado medir a evolução dessa relação ao longo do tempo cósmico. Alguns sugerem que os buracos negros cresceram mais rápido do que as galáxias, alguns sugerem que as galáxias cresceram mais rápido do que seus buracos negros. O novo resultado desta equipe mostrando o rápido crescimento dos buracos negros faz algumas coisas diferentes do trabalho anterior. Mas não está claro se eles fizeram a análise melhor do que os muitos especialistas que têm feito esse tipo de cálculo há décadas.
O fato é que a evolução das massas dos buracos negros é muito, muito difícil de medir, em grande parte porque essas massas são difíceis de estimar. Também é muito difícil saber se as galáxias que estamos observando do universo anterior, bilhões de anos-luz de distância, são precursores representativos das galáxias que estamos observando no universo moderno, próximo. Lembre-se de que não podemos realmente ver um único buraco negro evoluir.
Há muitos vieses potenciais envolvidos em um estudo como este, e esse fato não é adequadamente reconhecido neste artigo. De fato, a afirmação deles de “excluir o acoplamento cosmológico zero” em 99,98% parece desonesta na ausência de uma discussão completa sobre as contingências do resultado. A confiança com que o resultado é declarado é um pouco um sinal de alerta.
Ok, então essa é minha opinião sobre a ideia de que buracos negros são energia escura. Muitas coisas interessantes aí, e pode ser verdade se as partes mais especulativas puderem ser verificadas por outros especialistas. Como qualquer coisa potencialmente revolucionária, provavelmente não é verdade. Mas isso não significa que não seja valioso. Para encontrar a próxima grande descoberta, precisamos explorar todos os tipos de partes estranhas do espaço da teoria. E seguir as intuições de Erast Gliner levou a descobertas incríveis no passado, então talvez elas levem novamente. E talvez buracos negros se revelem energia escura, juntando elegantemente dois dos fenômenos mais perplexos de todo o espaço-tempo.
