Os cientistas estão mapeando o espaçador bizarro e caótico dentro de buracos negros

A versão original de esta história apareceu em Quanta revista.

No início dos tempos e o centro de todo buraco negro está um ponto de densidade infinita chamada singularidade. Para explorar esses enigmas, pegamos o que sabemos sobre espaço, tempo, gravidade e mecânica quântica e o aplicamos a um lugar onde todas essas coisas simplesmente quebram. Talvez não haja nada no universo que desafia mais a imaginação. Os físicos ainda acreditam que, se podem apresentar uma explicação coerente para o que realmente acontece dentro e ao redor de singularidades, algo revelador surgirá, talvez um novo entendimento de que espaço e tempo são feitos.

No final da década de 1960, alguns físicos especularam que as singularidades podem estar cercadas por uma região de caos agitada, onde espaço e tempo crescem e encolhem. Charles Malner, da Universidade de Maryland, chamou de “universo Mixmaster”, depois do que era então um linha popular de eletrodomésticos. Se um astronauta caísse em um buraco negro, “pode -se imaginá -lo misturando as partes do corpo do astronauta da maneira que um mestre de mix ou ovo mistura a gema e o clara de um ovo”. Kip Thorneum físico que venceu o Prêmio Nobel, escreveu mais tarde.

A teoria geral da relatividade de Einstein, que é usada para descrever a gravidade dos buracos negros, usa uma única equação de campo para explicar como as curvas e a matéria do espaço se move. Mas essa equação usa um taquigrafia matemática chamada de tensor para ocultar 16 equações distintas e entrelaçadas. Vários cientistas, incluindo Misner, criaram suposições úteis simplificadoras para permitir que eles explorem cenários como o universo Mixmaster.

Sem essas suposições, a equação de Einstein não pôde ser resolvida analiticamente, e mesmo com elas era muito complicada para as simulações numéricas da época. Como o aparelho que eles receberam o nome, essas idéias ficaram fora de moda. Essa “dinâmica deve ser um fenômeno muito geral na gravidade”, disse Gerben Olingpesquisador de pós -doutorado da Universidade de Edimburgo. “Mas é algo que caiu do mapa.”

Nos últimos anos, os físicos estão revisitando o caos em torno das singularidades com novas ferramentas matemáticas. Seus objetivos são duplos. Uma esperança é mostrar que as aproximações que Misner e outras feitas são aproximações válidas da gravidade einsteiniana. O outro é se aproximar das singularidades, na esperança de que seus extremos ajudem a reconciliar a relatividade geral com a mecânica quântica em uma teoria da gravidade quântica, que tem sido um objetivo dos físicos há mais de um século. Como Sean Hartnoll Da Universidade de Cambridge disse: “A hora está pronta para que essas idéias sejam totalmente desenvolvidas”.

O nascimento do Mixmaster Chaos

Thorne descreveu o final dos anos 60 como uma “idade de ouro” para a pesquisa de buracos negros. O termo “buraco negro” acabou de usar amplo. Em setembro de 1969, em uma visita a Moscou, Thorne recebeu um manuscrito da Evgeny Lifshitz, um proeminente físico ucraniano. Junto com Vladimir Belinski E Isaak Khalatnikov, Lifschitz encontrou uma nova solução para as equações de gravidade de Einstein, perto de uma singularidade, usando suposições que os três haviam criado. Lifeshitz temia que os censores soviéticos atrasassem a publicação do resultado, uma vez que contradizia uma prova anterior de que havia co -autor, então ele pediu a Thorne para compartilhá -lo no Ocidente.

Os modelos de buracos negros anteriores assumiram simetrias perfeitas não encontradas na natureza, posicionando, por exemplo, que uma estrela era uma esfera perfeita antes de desabar em um buraco negro ou que não tinha carga elétrica líquida. (Essas suposições permitiram que as equações de Einstein fossem resolvidas, na forma mais simples, por Karl Schwarzschild Logo após Einstein os publicar.) A solução que Belinski, Khalatnikov e Lifschitz encontraram, que passaram a ser chamados de solução BKL após suas iniciais, descreveu o que poderia acontecer em uma situação mais realista e mais realista, onde os orifícios negros se formam de objetos de forma irregular. O resultado não foi um alongamento suave do espaço e do tempo dentro, mas um mar de espaço e tempo esticando e comprimindo em várias direções.

Thorne contrabandeou o jornal de volta para os Estados Unidos e enviou uma cópia para Misner, que ele conhecia estava pensando em linhas semelhantes. Aconteceu que Misner e o grupo soviético haviam despertado independentemente as mesmas idéias usando suposições semelhantes e técnicas diferentes. Além disso, o grupo BKL “o usou para resolver o maior problema não resolvido daquela época na relatividade matemática”, disse Thorne, sobre a existência do que é conhecido como uma singularidade “genérica”. Belinski, o último membro sobrevivente do trio da BKL, disse recentemente em um e -mail que as descrições vívidas de Misner, por sua vez, o ajudaram a visualizar a situação caótica perto das singularidades que ambos revelaram.