Estudo teórico mostra que buracos negros de Kerr podem amplificar nova física

Buracos negros são regiões do espaço que possuem gravidade extremamente forte, impedindo que toda matéria e ondas eletromagnéticas escapem. Estes fascinantes objetos cósmicos têm sido o foco de inúmeros estudos de investigação, mas as suas complexas nuances físicas ainda não foram totalmente reveladas.

Pesquisadores da Universidade da Califórnia-Santa Bárbara, da Universidade de Varsóvia e da Universidade de Cambridge conduziram recentemente um estudo teórico com foco em uma classe de buracos negros conhecidos como buracos negros extremos de Kerr, que são buracos negros estacionários e sem carga com movimentos internos e externos simultâneos. horizontes exteriores. Seu artigo publicado em Cartas de revisão físicaIsto mostra que as propriedades únicas destes buracos negros podem torná-los “amplificadores” ideais para uma física nova e desconhecida.

“Essa pesquisa tem origem em A Projeto anterior “Tudo começou enquanto eu visitava a UC Santa Bárbara”, disse Maciej Kolanowski, um dos pesquisadores que conduziu o estudo, ao Phys.org. “Comecei a discutir buracos negros ultrafrios (chamados extremos) com Gary Horowitz (UCSB) e Jorge Santos (em Cambridge). Logo percebemos que os buracos negros extremos em geral parecem muito diferentes do que se pensava anteriormente.”

No seu artigo anterior, Kolanowski, Horowitz e Santos mostraram que, na presença de uma constante cosmológica, os buracos negros extremos são afetados por forças de maré infinitas. Isto significa que se os organismos vivos caíssem no buraco negro, seriam esmagados pela gravidade antes de se aproximarem do centro do buraco negro. No entanto, a equipa mostrou que se a constante cosmológica for zero, como se assume em muitos cenários astrofísicos, este efeito desaparece.

“A faísca para o artigo atual surgiu em um Gravity Luncheon semanal organizado pela UC Santa Barbara”, explicou Grant Remen. “Enquanto conversava com Horowitz depois de falar sobre seu trabalho sobre singularidades no horizonte de buracos negros, me perguntei se outros efeitos poderiam levar a tais fenômenos. Meu trabalho anterior em teorias de campo efetivas (EFTs), especialmente no desenvolvimento de modelos físicos com correções quânticas, me deu a ideia Ao conversar com Horowitz, perguntei-me se os termos de derivadas superiores na transformação gravitacional do elétron (isto é, correções quânticas nas equações de Einstein) poderiam eles próprios levar a singularidades nos horizontes de buracos negros extremos.

Depois que Remen compartilhou sua ideia com Horowitz, eles começaram a colaborar com Kolanowski e Santos, com o objetivo de testar a ideia por meio de uma série de cálculos. Nos seus cálculos, os investigadores levaram em conta a gravidade de Einstein combinada com as suas correções quânticas pioneiras.

“As equações de Einstein são linearizadas no tensor de Riemann, que é um objeto matemático que descreve a curvatura do espaço-tempo”, explicou Riemen. “Em três dimensões espaciais, as principais correções de Einstein são os termos cúbicos (terceira potência) e quadráticos (quarta potência) na curvatura. Como a curvatura é uma medida das derivadas da geometria do espaço-tempo, esses termos são chamados de termos de ‘derivada superior’. ‘ “Calculamos o efeito destes termos de derivadas superiores em buracos negros em rotação rápida.”

Os buracos negros extremos giram à velocidade máxima possível, correspondendo a um horizonte que se move à velocidade da luz. Os cálculos dos investigadores mostraram que as correções EFT de derivadas superiores de buracos negros extremos tornam os seus horizontes singulares, com forças de maré infinitas. Isto contrasta fortemente com os buracos negros típicos, que têm forças de maré finitas que se tornam infinitas apenas no centro do buraco negro.

“Surpreendentemente, as correções EFT fazem a singularidade saltar do centro do buraco negro até o horizonte, onde você não esperaria que estivesse”, disse Remen. “O valor do coeficiente na frente de um termo EFT específico – as ‘ajustes do mostrador’ nas leis da física – é ditado pelos acoplamentos e pelos tipos de partículas presentes em altas energias e distâncias curtas. Nesse sentido, EFTs são sensíveis para a nova física.”

Kolanowski, Horwitz, Riemen e Santos também descobriram que a força da divergência de marés no horizonte de buracos negros extremos e a probabilidade de ocorrência de uma singularidade de maré dependem fortemente dos parâmetros de EFT. Assim, os resultados dos seus cálculos indicam que a geometria do espaço-tempo perto do horizonte destes buracos negros é sensível à nova física a energias mais elevadas.

“Curiosamente, esta singularidade inesperada está presente nos valores dos coeficientes de transferência de elétrons (EFT) gerados pelo Modelo Padrão da física de partículas”, disse Remen.

“Nossos resultados são surpreendentes, porque implicam que a descrição da física de baixa energia pode falhar em uma situação em que você não esperaria que isso acontecesse. Na física, geralmente há uma sensação de ‘separação’ entre diferentes escalas de distância. ” Por exemplo, você não precisa conhecer os detalhes das moléculas de água para descrever ondas usando hidrodinâmica. No entanto, para buracos negros em rotação rápida, é exatamente isso que acontece: EFT de baixa energia entra em colapso no horizonte.”

No geral, os cálculos realizados por esta equipa de investigadores indicam a promessa de buracos negros extremos de Kerr para explorar novos fenómenos físicos. Embora os horizontes desses buracos negros possam ser muito grandes, não se esperava que eles tivessem uma curvatura infinitamente grande (ou seja, forças de maré infinitas) em EFT. Seus resultados mostram que é assim.

“Em trabalhos futuros, estamos interessados ​​em explorar se as singularidades podem ser resolvidas pela física ultravioleta”, acrescentou Reimen. “A questão premente é se a sensibilidade do horizonte à nova física continua até a escala de Planck, ou se o horizonte ‘se achata’ na escala de curta distância associada à EFT. Também estamos procurando outras situações em que os efeitos de curta distância pode aparecer inesperadamente em escalas de curta distância. grande.”