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17 de setembro de 2021

Simulação de Buraco Negro Em Tanque de Água Revela Efeito Nunca Antes Visto

É bem difícil fazer um buraco negro em um laboratório. Você precisa pegar uma grande quantidade de massa e espremer essa massa até que ela colapse gravitacionalmente sobre si mesma. É tão difícil fazer isso, que nunca foi feito. O que nós podemos fazer é, contudo, simular, um buraco negro usando para isso um tanque de água, e isso pode nos dizer muitas coisas interessantes sobre como os buracos negros funcionam, apesar de toda a simplificação envolvida.

As simulações em tanque de água de buracos negros, são possíveis, pois, a matemática que descreve o comportamento da água é similar à matemática que descreve o comportamento de coisas como as ondas gravitacionais. As interações gravitacionais ocorrem em um meio que lembra um fluido, então é possível usar o fluido para estudar coisas muito mais complicadas. Obviamente que existem limitações nesses modelos, por isso, é preciso ter muito cuidado quando se estuda simulações em tanques de água.

Um problema com a água em modelos análogos a buracos negros, é que você precisa guiar a sua simulação para que ela continue sem interrupção. Suponha que você quer estudar como a matéria pode ser capturada por um buraco negro. Você pode simular o buraco negro por um vórtice de água similar a um tornado, algo bem parecido com o que você vê acontecer no ralo de uma pia ou de uma banheira. Para manter o vórtice funcionando você tem que fornecer energia ao seu sistema de modo que os padrões se mantenham estáveis por tempo suficiente para você poder adquirir bons dados.

Devido a isso, acredita-se que os modelos em tanque de água não podem exibir um efeito que pode ser criado em buracos negros reais que é chamada de backreaction. A backreaction ocorre quando existe uma interação onde um objeto reage com o seu ambiente. Por exemplo, no caso dos buracos negros, à medida que os buracos negros adquirem matéria sua massa aumenta. Esse aumento na massa, muda como o buraco negro irá contorcer o espaço ao seu redor, mudando levemente o espaço. A backreaction é um importante fenômeno, mas é muito sutil e por isso muito difícil de ser estudada.

Recentemente, uma equipe de pesquisadores descobriu que a backreaction pode ser vista em modelos simulados usando tanques de água. A pesquisa estudou como ondas gravitacionais de fundo poderiam interagir com um buraco negro em rotação. No modelo no tanque de água, eles criaram um vórtice simulando um buraco negro e então geraram uma onda em direção ao vórtice. A reação entre o vórtice e as ondas fez com que o vórtice crescesse mais rapidamente do que da maneira tradicional. Dessa maneira, as ondas gravitacionais podem acelerar o crescimento de buracos negros, através do efeito de backreaction.

Nas simulações em tanques de água, o efeito de backreaction foi forte o suficiente para os pesquisadores pudesse ver o nível da água em seu tanque cair quando isso ocorria, provando que a reação pode sim ocorrer em uma escala de tempo reduzida.

Só por isso esse estudo já é interessante, mas o trabalho mostra também que o efeito de backreaction precisa ser levando em consideração em muitas outras simulações feitas em tanques de água. Normalmente, assume-se que o vórtice de água nas simulações pode assumir um estado estacionário de background, significando que qualquer efeito de backreaction possa ser ignorado no modelo. Esse trabalho mostra que como a premissa pode não funcionar quando estudamos outros efeitos no buraco negro, como a radiação Hawking.

Enquanto um buraco negro real, não pode ser criado em laboratório, felizmente existem simulações feitas em tanques de água que podem nos ensinar muito sobre os objetos mais intrigantes do universo.

In the water simulation, the backreaction was strong enough the team would visibly see the water level of their tank drop when it occurred, proving that the reaction can occur on short time scales.

While this study is interesting on its own, the work also shows that backreaction must be taken into account with many water simulations. Usually, it has been assumed that water vortex simulations can assume a stationary background, meaning any backreaction can be ignored in the model. This work shows how that assumption might not work when studying other black hole effects such as Hawking radiation.

Fonte:

https://www.universetoday.com/149958/black-holes-simulated-in-a-tank-of-water-reveals-quotbackreactionquot-for-the-first-time/

Sérgio Sacani

Formado em geofísica pelo IAG da USP, mestre em engenharia do petróleo pela UNICAMP e doutor em geociências pela UNICAMP. Sérgio está à frente do Space Today, o maior canal de notícias sobre astronomia do Brasil.

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