Existe uma lei central para buracos negros que prevê que a área de seus horizontes de eventos, que é a fronteira além da qual nada pode escapar, nunca deve encolher. Esta lei é o teorema da área descoberto por Stephen Hawking em 1971. 50 anos depois, físicos do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT, na sigla em inglês) e de outros lugares agora confirmaram o teorema pela primeira vez, usando observações de ondas gravitacionais.
No estudo, os pesquisadores examinam mais de perto a primeira onda gravitacional conhecido por GW150914 detectada em 2015. O sinal era produto de dois buracos negros inspiradores que geraram um novo buraco negro, junto com uma enorme quantidade de energia que oscilou através do espaço-tempo como ondas gravitacionais.
De acordo com o teorema da área de Hawking, a área do horizonte do novo buraco negro não deve ser menor do que a área total do horizonte de seus buracos negros de origem. Os físicos então reanalisaram o sinal de GW150914 antes e depois da colisão cósmica e descobriram que, de fato, a área total do horizonte de eventos não diminuiu após a fusão - um resultado que eles relataram com 95% de confiança.
Suas descobertas marcam a primeira confirmação de observação direta do teorema da área de Hawking, que foi provado matematicamente, mas nunca observado na natureza até agora. A equipe planeja testar futuros sinais de ondas gravitacionais para ver se eles podem confirmar o teorema de Hawking ou ser um sinal de uma nova física que quebra as leis atuais.
"É possível que haja um zoológico de diferentes objetos compactos e, embora alguns deles sejam os buracos negros que seguem as leis de Einstein e Hawking, outros podem ser feras ligeiramente diferentes", diz o autor principal Maximiliano Isi, um pós-doutorando Einstein da NASA no Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT.
Os coautores de Isi no artigo são Will Farr da Universidade Stony Brook e do Instituto de Astrofísica Computacional Flatiron, Matthew Giesler da Universidade Cornell, Mark Scheel do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) e Saul Teukolsky da Universidade Cornell e da Caltech, publicaram os resultados da pesquisa na Physical Review Letters.
Uma era de percepções
Em 1971, quando Stephen Hawking propôs o teorema da área, uma série de descobertas fundamentais sobre a mecânica dos buracos negros se desencadearam. A afirmação do físico britânico é paralela à segunda lei da termodinâmica de Einstein, ambas afirmam que a entropia, ou grau de desordem dentro de um objeto, nunca devem diminuir.
A semelhança entre as duas teorias sugeria que os buracos negros poderiam se comportar como objetos térmicos, emissores de calor - uma proposição confusa, já que se pensava que eles, por natureza, nunca deixavam escapar ou irradiar energia. Hawking mostrou anos depois que os buracos negros poderiam ter entropia e emitir radiação em escalas de tempo muito longas se seus efeitos quânticos fossem levados em consideração. Este fenômeno foi apelidado de "radiação Hawking" e continua sendo uma das revelações mais fundamentais sobre os buracos negros.
"A lei da área encapsula uma época de ouro nos anos 70, quando todos esses insights estavam sendo produzidos", diz Isi.
Hawking e outros desde então mostraram que o teorema da área funciona matematicamente, mas não havia nenhuma maneira de compará-lo com a natureza até a primeira detecção de ondas gravitacionais em 2015. Na época, os pesquisadores não tinham a capacidade de pegar as informações necessárias dentro do sinal, antes e depois da fusão, para determinar se a área final do horizonte não diminuía, como o teorema de Hawking assumiria. Só vários anos depois, com o desenvolvimento de uma técnica por Isi e seus colegas, o teste da lei da área se tornou viável.
Eles desenvolveram um modelo para analisar o sinal antes do pico, correspondendo aos dois buracos negros inspiradores. A partir dessas estimativas, eles calcularam suas áreas totais do horizonte.
"Os dados mostram com absoluta confiança que a área do horizonte aumentou após a fusão e que a lei da área é cumprida com uma probabilidade muito alta”, diz Isi. "Foi um alívio que nosso resultado concordasse com o paradigma que esperávamos e confirmasse nosso entendimento dessas complicadas fusões de buracos negros", explicam.
A equipe planeja testar ainda mais o teorema da área de Hawking e outras teorias de longa data da mecânica dos buracos negros. "Um dia, esses dados podem revelar algo que não esperávamos", estimam.
