E se eu te dissesse que o universo que contém tudo o que você vê, ama, sente e pensa, talvez seja um buraco negro? Ou, sendo ainda mais preciso, que o nosso universo e talvez outros universos sejam criados através de buracos negros. Essa é a ideia da cosmologia de buracos negros, proposta pela primeira vez pelo físico indiano Raj Kumar Pathria.
E eu não vou mentir que em um primeiro momento essa ideia parece meio absurda, mas isso muda se a gente levar ela a sério. Vem comigo. Buracos negros são regiões do espaço onde um acúmulo enorme de matéria cria uma gravidade tão poderosa que nem mesmo a luz consegue escapar.
É fisicamente impossível que qualquer tipo de informação que caia dentro de um escape. E por isso nós não temos a menor ideia do que tem dentro de buracos negros. A forma usual de descrever buracos negros é usando a Relatividade Geral de Albert Einstein, que conecta a distribuição de matéria no espaço com campos gravitacionais.
Ela diz que a matéria cria uma curvatura no espaço-tempo e é essa curvatura que causa o que os outros corpos sentem como gravidade. É a curvatura do espaço criada pelo Sol que faz a Terra permanecer em órbita, e é a curvatura ao redor da Terra que nos prende no planeta. Mas buracos negros são um caso tão extremo que essa teoria simplesmente falha.
A relatividade prevê que dentro do buraco negro existe um ponto de densidade infinita, com um espaço infinitamente curvado. E essa região é chamada de singularidade, que é justamente o ponto de densidade infinita. Quase nenhum físico acredita que uma singularidade de densidade infinita existe de fato.
Esse resultado é interpretado mais como um limite matemático da teoria do que uma previsão física realista. De toda forma, buracos negros parecem estar constantemente tentando puxar a matéria pra dentro e comprimir essa matéria o máximo possível, chegando mais perto de uma singularidade que as ainda desconhecidas leis da gravitação quântica permitem. Já o universo é o perfeito oposto.
Até onde sabemos, o universo teve uma singularidade, o Big Bang, mas ela ocorreu no passado. E ao contrário de buracos negros, a matéria do universo não está sendo toda atraída pra um ponto de densidade infinita. Na verdade, é o contrário.
A matéria do universo está fugindo desse passado de alta densidade. O nosso universo como um todo está se expandindo e, como consequência, a densidade dele está diminuindo. O futuro do nosso universo é um universo frio e vazio.
E essas características fazem ele parecer o exato oposto de um buraco negro. Mas talvez seja justamente aqui, no ponto de encontro desses dois opostos, que nós encontraremos a chave para entender como universos podem surgir dentro de buracos negros. Existe uma profundeza enorme em um detalhe que provavelmente passou despercebido para a maioria de nós.
A forma com a qual eu descrevi o universo se aplica a um outro objeto hipotético, um buraco branco. Buracos brancos são o exato oposto de buracos negros, e nas previsões da relatividade geral, os dois aparecem juntos, literalmente. Se você tenta criar um mapa de um buraco negro usando a relatividade geral, você vai criar sem querer uma outra região do espaço com um buraco branco.
O buraco negro absorve matéria e o buraco branco expulsa essa matéria em alguma região hipotética desconectada do nosso universo. Só tem um problema, nós nunca vimos um buraco branco, mesmo com o nosso universo estando repleto de buracos negros. Ou pelo menos é isso que nós pensamos.
Talvez existiu um buraco branco no nosso universo, ou, para ser mais preciso, no passado dele, o Big Bang. Se o Big Bang é um desses buracos brancos que distribui matéria, provavelmente o nosso Big Bang foi criado como consequência de um buraco negro de outro universo. E essa é a oportunidade perfeita para eu pedir para vocês se inscreverem no canal.
É só clicar no botão aqui de baixo. Então aqui vai a possível conexão entre buracos negros e o universo. Talvez dentro de cada buraco negro exista uma conexão para um buraco branco, ou a semente de um buraco branco.
E esses buracos brancos criam universos, ou seja, funcionam como Big Bangs. E da mesma forma que buracos negros têm os seus interiores desconhecidos do universo externo, os buracos brancos seriam, para todos os efeitos, novos universos, quase que completamente desconectados do universo onde o Buraco Negro se formou. E com isso, cada Buraco Negro representa um possível universo, alguns já formados, outros ainda em formação.
Os detalhes dependem da versão na cosmologia de Buracos Negros que você preferir. Mas tudo bem, a ideia é muito legal e abre as portas para um universo absurdamente bonito, em que os Buracos Negros guardam nos seus interiores outros mundos desconhecidos e inacessíveis. E aí dentro desses universos escondidos dentro de buracos negros existem mais buracos negros guardando ainda mais universos.
É tipo uma daquelas bonecas russas, só que a versão de universo disso. E isso levanta uma pergunta óbvia que nesse momento paira no ar. Essa ideia tem algum mérito?
Além de ser obviamente muito legal? A resposta é que sim. Existem versões da cosmologia de buracos negros que podem explicar lacunas da nossa teoria moderna do Big Bang.
E é nessa que nós vamos focar hoje. Então vamos revisar a história padrão da cosmologia, identificar as limitações das nossas melhores teorias modernas do universo e ver o que nós podemos explicar criando um universo com um buraco negro. Ah, e se você quiser essa camiseta que eu estou usando, o cupom BURACONEGRO está dando 20% de desconto no pedido para as primeiras 10 pessoas a usarem.
É só clicar no link aqui embaixo. Regras na descrição. A história começa com a primeira incerteza.
Nós não sabemos como o universo começou. A única coisa que nós temos alguma ideia são as propriedades básicas que ele tinha logo depois de começar. E como ele evoluiu até os dias de hoje.
O universo estava compactado em uma região minúscula do espaço extremamente densa. Algo que a Relatividade Geral chamaria de uma singularidade. Mas aqui, do mesmo jeito que aconteceu com buracos negros, isso é mais um limite da relatividade geral do que uma previsão genuína.
Outra propriedade notável do universo primordial é a chamada isotropia. Algo isotrópico é algo que tem a mesma cara em todas as direções. Imagine sair em um barco no ponto Nemo, que é o ponto mais isolado do Oceano Pacífico.
Esse é um lugar bem isotrópico. Se você olhar para o sul, você vai ver o oceano. Se você olhar para o norte, mais oceano.
Não importa para qual direção você olhe, tudo o que você vai ver é um oceano. E sim, as ondas vão ser ligeiramente diferentes em cada direção, mas a cara geral vai ser a mesma. E da mesma forma, o universo primordial era altamente isotrópico, igual em todas as direções, só com pequenas flutuações aleatórias, exatamente como um oceano com ondas.
Nós sabemos disso olhando para a luz mais remota do universo, que foi emitida quase 400 mil anos depois de ele começar. Essa luz forma a radiação cósmica de fundo em micro-ondas, que é um mapa de como a energia do universo estava distribuída logo depois do seu começo. E o que nós vemos é um universo isotrópico com pequenas flutuações de energia.
Então nós podemos inferir que, voltando mais no tempo, o universo deveria ser ainda mais isotrópico, com flutuações ainda menores. Uma boa teoria para explicar o Big Bang precisa explicar a cara da radiação cósmica de fundo, o que significa explicar a isotropia do universo, mais o padrão de flutuações aleatórias. E outro ponto importante para ser explicado é a inflação.
O universo começou de alguma forma misteriosa, extremamente compacto e denso. Logo depois, ele se expandiu extremamente rápido. Ele dobrou de tamanho mais de 50 vezes em uma fração minúscula de tempo.
Isso, inclusive, significa uma expansão mais rápida do que a velocidade da luz, que pra matéria é velocidade máxima. Mas o espaço não é matéria, então o espaço pode se mover em qualquer velocidade. Ele é um rebelde, ele não segue nenhuma regra.
Essa expansão extremamente rápida é chamada de inflação, e ela é útil pra explicar a cara moderna do nosso universo. A principal função da inflação é explicar porque o universo parece perfeitamente plano. A expansão mais rápida do que a luz suaviza toda e qualquer curvatura que o universo poderia ter.
Então não importa a forma do universo primordial, depois da inflação ele vai ser plano. E não qualquer plano. Ele segue uma estrutura chamada de espaço de De Sitter, que é basicamente a estrutura de um plano em expansão.
Mas a inflação também apresenta seus próprios problemas. Primeiro, nós não temos certeza do que causa ela. Segundo, os modelos de universo com inflação têm dificuldade em fazer a inflação parar.
As contas naturais implicam que o universo deveria continuar inflacionado infinitamente, algo que impediria até a formação de estruturas como galáxias. E aqui entram dois outros pontos que um bom modelo cosmológico precisa cobrir. Ele precisa explicar a origem da inflação e precisa explicar como ela para de acontecer.
Uma vez que a inflação acontece e para, o resto da esfera do universo é fácil de explicar. É só usar a Relatividade Geral e modelos cosmológicos tradicionais. O problema no coração do Big Bang é o mesmo problema do coração do Buraco Negro.
Regiões pequenas com altíssimas quantidades de energia. E nesse cenário nós precisamos usar tanto a nossa teoria da gravidade quanto a nossa teoria de pequenas escalas, que é a teoria quântica. Só que essas duas teorias não são compatíveis.
Nós não sabemos combinar a relatividade com física quântica. Não existe uma teoria completa da gravitação quântica. Esse, inclusive, é um dos problemas mais importantes da física.
Então, nós temos a singularidade do buraco negro e a singularidade do Big Bang. Mas nós não temos uma teoria que explique ambos. Então, como que nós podemos combinar dois problemas com os quais nós não temos solução?
Bom, a gente chuta, no sentido de dar um palpite mesmo. Nós não sabemos como uma teoria da gravitação quântica vai resolver o problema da singularidade. E mesmo assim, a cosmologia de buraco negro faz um chute educado.
Os efeitos quânticos da gravidade impedem o colapso completo em uma singularidade. Ou seja, existe um limite para a densidade da matéria e um limite máximo para a curvatura do espaço. Então, é tanto no coração de um buraco negro quanto nos momentos antes do Big Bang que nós encontramos essa situação do limite da densidade da curvatura do espaço.
Agora, responder quais efeitos quânticos exatamente que cumprem esse papel é outra discussão. Diferentes propostas da gravidade quântica apontam efeitos diferentes. Mas o que importa para nós hoje é que existe um limite para o quanto a matéria pode se acumular.
Singularidades não se formam e o espaço não se curva infinitamente. É possível usar essa hipótese para criar uma teoria do interior de um buraco negro e resolver as equações aproximadas para a cara do espaço-tempo no interior dessas estruturas. E o resultado é bem surpreendente.
O interior do buraco negro fica dividido basicamente em duas regiões. Uma onde esses efeitos quânticos não são relevantes, longe do centro de massa do buraco negro, e outra onde a singularidade ficaria, mas que graças aos efeitos quânticos agora é a região onde a densidade máxima de matéria entra em efeito, e não infinita. Então, o que a gente vai fazer agora é seguir um pedaço de matéria caindo em direção a esse buraco negro.
Sei lá, uma cadeira. A cadeira é atraída pela gravidade do buraco negro e então cruza o horizonte de eventos, o ponto sem retorno. A partir daqui é impossível que a cadeira escape do buraco negro.
E não só isso, ela com toda certeza vai se mover em direção ao centro do buraco negro. Uma vez que você cruza o horizonte de eventos, escapar da trajetória que te leva para o centro é simplesmente impossível. Tão impossível quanto evitar a passagem do tempo.
E essa é uma das propriedades mais estranhas do interior de um buraco negro. O caminho para o centro deles parece se comportar como o tempo. Na história usual, a cadeira iria ser destruída e viajaria para a singularidade, para compor o ponto de densidade infinita.
Mas felizmente nós estamos no cenário em que algum efeito quântico limita a existência da singularidade. Então a cadeira vai alcançar a região de densidade máxima, mas não infinita. Essa região provavelmente vai ser bilhões de vezes menor do que um núcleo atômico, e a cadeira vai ser compactada para caber nela.
Além disso, como os efeitos quânticos estão causando uma certa repulsão nessa região para impedir o colapso da singularidade, ela vai ter uma estrutura espacial bem diferente do resto do buraco negro. Como a região já tem a densidade máxima, ela vai tentar expandir um pouco para acomodar melhor toda essa matéria. E por consequência, a estrutura que surge naturalmente em torno dessa região de densidade máxima é algo chamado de espaço de De Sitter, que é uma região espacial em expansão, exatamente como o nosso universo primordial, se expandindo rapidamente durante a inflação.
Sim, o coração do buraco negro quântico pode ter a exata mesma estrutura espacial do universo primordial, incluindo a expansão acelerada na forma de inflação. E isso surge naturalmente da hipótese de densidade máxima possível. Mas não precisamos de nenhum truque matemático para isso acontecer.
E as coincidências não param aqui. Os efeitos quânticos que impedem o colapso completo também devem suavizar a distribuição de matéria no coração do buraco negro, criando uma distribuição isotrópica. Salvo pequenas flutuações devido a incertezas quânticas.
Isso lembra alguma coisa pra vocês? Um espaço de De Sitter isotrópico com pequenas flutuações é exatamente a estrutura do universo logo depois dele começar. E é aqui que nós podemos recontar a história do universo a partir de buracos negros.
Quando um buraco negro se forma, a matéria dele se acumula nesse coração quântico com densidade máxima e de forma isotrópica. Os efeitos quânticos que impedem um colapso completo numa singularidade causam uma repulsão que gera uma expansão, fazendo esse pequeno espaço dobrar de tamanho durante a vida do buraco negro. 1.
Inflação. Quanto tempo exatamente essa inflação leva é uma questão difícil de responder. Campos gravitacionais afetam a passagem do tempo.
Toda essa história provavelmente vai parecer um tempo muito curto para a matéria no coração do buraco negro, mesmo com buracos negros durando trilhões de anos da nossa perspectiva. De toda forma, parece que vai existir uma região dentro do buraco negro que começa minúscula, bilhões ou trilhões de vezes menor do que o núcleo atômico, e que graças aos efeitos quânticos dobra de tamanho várias e várias vezes. Uma inflação.
O problema agora é, quando que essa inflação interna do buraco negro para? E aqui nós precisamos de mais um chute educado. A repulsão quântica nesse cenário deve depender da intensidade do campo gravitacional, que também deve depender da quantidade de matéria no buraco negro.
Então a própria inflação interna do buraco negro deve depender de quanta matéria tem nele. E a quantidade de matéria no buraco negro varia. Buracos negros ganham matéria por acreção, literalmente engolindo.
Mas eles também perdem massa, por um efeito conhecido como radiação Hawking. Normalmente, o ganho por acreção compensa ou supera qualquer perda por radiação. Mas quando o universo estiver encaminhado para o seu fim e não existir mais matéria para acumular, os buracos negros vão começar a perder massa via radiação Hawking.
Conforme os buracos negros evaporam e perdem massa, a inflação interna começa a desacelerar, a parar. Tem menos gravidade tentando colapsar uma singularidade para ser compensada pelos efeitos quânticos. E aí esses efeitos desaceleram.
E só para referência, mesmo depois da vida de um buraco negro passando por inflação, a região quântica do buraco negro não deve terminar muito maior do que um átomo. Então, não, essa região nunca vai escapar do buraco negro, nem quando ele evaporar. E com isso, dentro do buraco negro existe um mecanismo para explicar dois problemas da cosmologia moderna.
O coração quântico do buraco negro nos aponta para uma causa para a inflação. E a radiação Hawking nos dá um mecanismo para parar essa inflação. Só que aqui nós alcançamos outro limite.
A inflação só vai parar de vez no fim da vida do buraco negro, quando ele for pequeno o suficiente para evaporar toda a sua massa restante de uma única vez. E é nesse ponto que nós batemos numa parede. Para entender o exato fim da vida de um buraco negro, nós precisamos de uma teoria completa da gravitação quântica.
O nosso chute aproximado não é o suficiente. Nós realmente precisamos saber fazer as contas adequadas para avançar de forma séria. Mesmo assim, deixando bem claro que eu vou falar de uma hipótese bem hipotética, nós podemos continuar a conversa mais um pouco.
Se vocês quiserem, é claro. Eu sei que vocês querem. Eu também quero.
Quando o buraco negro finalmente chega no ponto de terminar de evaporar, ele pode se desdobrar em um buraco branco, criando uma explosão intensa que espalha energia e expande ainda mais a região quântica no coração do buraco negro. E esse processo daria origem a um novo universo, que pareceria ter uma singularidade no seu passado exatamente como o nosso Big Bang. O passado além desse ponto seria inacessível para esse novo universo, ou seja, não existiria nenhuma evidência óbvia de que antes desse Big Bang o universo estava dentro de um buraco negro.
O que significa que o nosso universo pode muito bem ter sido feito em um buraco negro, mas nós não vamos achar evidências diretas disso. É impossível. E só pra deixar claro, essa parte da história é bem hipotética.
Mas não é completamente irrealista a ideia de que buracos negros sejam sementes do universo, e que o nosso universo talvez seja um buraco negro, ou pelo menos tenha sido no passado. E além dessa versão da cosmologia de buracos negros, também é possível criar formas dos universos existirem dentro dos buracos negros. Mas essas teorias têm dificuldade em explicar o fim da inflação.
E acho que esse é o ponto realmente surpreendente da cosmologia de buracos negros. Algo que parece uma ideia absurda, consegue dar boas explicações para problemas em aberto da cosmologia. A hipótese de densidade máxima ajuda a explicar, ao mesmo tempo, a esotropia do universo, as pequenas flutuações do fundo cósmico de radiação e talvez até a origem e fim da insolação do nosso universo primordial.
Tudo isso criando um novo espaço-tempo dentro de um buraco negro. Eu espero que essa tenha sido a ideia mais legal que vocês tenham ouvido hoje. Se foi, fala aqui nos comentários.
Eu adoraria saber. A equipe também. Muito obrigado e vejo vocês no próximo vídeo.
