Um processo teórico de 50 anos para a retirada de energia de um buraco negro rotativo finalmente foi comprovado experimentalmente. Usando componentes parecidos com os necessários, os físicos mostraram que o processo de Penrose é realmente plausível para consumir parte dessa energia rotacional – se criarmos os mecanismos para isso.
Apesar de improvável, o trabalho mostra que teorias peculiares podem ser brilhantemente usadas para explorar as propriedades físicas de alguns dos objetos mais extremos do universo. Os buracos negros são a última etapa da vida de uma estrela maciça, tão grande que, ao virar uma supernova, o núcleo não consegue mais suportar sua própria gravidade e desmorona em uma singularidade – um ponto unidimensional de densidade infinita.
Essa singularidade fica dentro de uma região chamada horizonte de eventos – ponto em que a gravidade ao redor do buraco negro é tão forte que nem mesmo a luz consegue escapar. Fora do horizonte de eventos, uma região estendida do espaço-tempo é distorcida à medida que é arrastada com a rotação do buraco negro, um efeito chamado “arrastamento de quadros”.
Processo de Penrose
É aí que entra o processo de Penrose. Em 1969, o físico matemático Roger Penrose propôs que uma região fora do horizonte de eventos chamada ergosfera, onde o “arrastamento de quadros” é mais forte, poderia ser explorada para extrair energia.
Segundo seus cálculos, se um objeto lançado na ergosfera se dividisse em dois, uma parte seria lançada além do horizonte de eventos. A outra parte, no entanto, seria acelerada para o exterior, com um empurrão adicional do buraco negro. Se tudo desse certo, sairia da ergosfera com 21% a mais de energia do que quando entrou.
O físico Roger Penrose, hoje com 88 anos, foi quem propôs a teoria. Imagem: Wikimedia
O problema é que não podemos simplesmente atravessar um buraco negro para testar isso. Em 1971, o físico soviético Yakov Zel’dovich propôs um experimento mais prático, substituindo o buraco negro por um cilindro de metal rotativo e disparando raios de luz torcidos nele. Se ele estivesse girando na velocidade certa, a luz seria refletida de volta com energia extra obtida da rotação do cilindro, devido ao efeito Doppler rotacional.
Esse efeito ocorre quando uma fonte rotativa emite ondas, que aumentam e diminuem dependendo da direção de rotação. É assim que os astrônomos medem as rotações de estrelas e galáxias.
Mas havia um problema na proposta de Zel’dovich: a velocidade do cilindro precisaria ser de pelo menos um bilhão de rotações por segundo. Ser mais prático que um buraco negro real não significa que seja algo praticável.
Isso perdurou até uma equipe de físicos da Escola de Física e Astronomia da Universidade de Glasgow, na Escócia, aparecer. Eles criaram um experimento baseado na proposta de Zel’dovich, mas usaram ondas de som em vez de ondas de luz.
Detalhes do experimento. Imagem: Cromb et al., Nature Physycs, 2020
Experimento com ondas de som
O experimento consistiu em um anel de alto-falantes configurado para introduzir uma torção nas ondas sonoras, da mesma forma que a luz se torce na proposta de Zel’dovich. O “buraco negro” era um absorvedor de som rotativo feito de um disco de espuma, cuja rotação aceleraria à medida que as ondas de som o atingissem. Uma série de microfones do outro lado do disco detectaria as ondas após elas passarem por ele. O mecanismo que comprovaria o processo de Penrose era uma mudança no tom e amplitude das ondas sonoras depois de passarem pelo disco.
“Se a superfície gira rápido o suficiente, a frequência do som pode fazer algo muito estranho – pode passar de uma frequência positiva para uma negativa e, ao fazer isso, rouba energia da rotação da superfície”, explicou a física e astrônoma Marion Cromb, principal autora do artigo publicado na Nature Physics.
Os resultados surpreenderam. Conforme a rotação do disco acelerava, o tom do som captado nos microfones diminuía até ficar inaudível. Em seguida, começou a voltar ao tom original – mas 30% mais alto que o som dos alto-falantes. Isso mostrou que as ondas sonoras captaram energia adicional do disco rotativo.
Experimento feito na Escócia. Imagem: Universidade de Glasgow
Agora, a equipe planeja como estender essa pesquisa à luz, mas o resultado é um passo importante na compreensão dos buracos negros. O estudo mostra como suas propriedades extremas podem ser investigadas em laboratório, caso você tenha as ferramentas certas.
Pesquisas como essa também podem levar a novas tecnologias, se for possível descobrir uma maneira de aproveitar esse fenômeno.
Via: Science Alert
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