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mar 30

Física: Quem tem medo do LHC? Quem tem medo de um mini-buraco-negro?

Produção simulada de um buraco negro no ATLAS. Esta figura é um exemplo de um modelo de dados simulados para o detector ATLAS no LHC. Esses feixes seriam produzidos se um buraco negro em miniatura for criado na colisão próton-próton. Tal micro buraco negro teria decaimento instantâneo em várias partículas através de um processo conhecido como ‘radiação de Hawking’. Crédito: CERN

Produção simulada de um buraco negro no ATLAS. Esta figura é um exemplo de um modelo de dados simulados para o detector ATLAS no LHC. Esses feixes seriam produzidos se um buraco negro em miniatura for criado na colisão próton-próton. Tal micro buraco negro teria decaimento instantâneo em várias partículas através de um processo conhecido como ‘radiação de Hawking’. Crédito: CERN

Uma vez que hoje, 30 de março de 2010, o CERN (Organização Européia para a Investigação Nuclear – França e Suíça) está iniciando as tentativas para recriar condições que ocorreram no Universo nos seus primórdios, logo após o Big Bang, confirmar a existência da supersimetria e descobrir o misterioso bóson de Higgs no acelerador de partículas LHC (Grande Colisor de Hádrons), vamos esclarecer sobre o tema mini-buracos-negros.

Buracos-Negros Estelares e Galácticos X Mini-Buracos-Negros

Em livros e filmes, já estamos até habituados a ver buracos negros capturando naves espaciais e planetas incautos, há galáxias engolidas ou as películas exibem portais para idas e vindas para outros cantos do Universo.

Assim, é natural que alguns anúncios alarmantes tenham sido difundidos, decorrentes da idéia propagada pela mídia de que com a entrada em operação do Grande Colisor de Hádrons (LHC – Large Hadron Collider), os físicos finalmente criaram uma máquina poderosa o suficiente para eventualmente criar “mini-buracos negros ‘ (ou MBN).

Mas o que realmente sabemos sobre os buracos negros? E quão diferente seria um ‘mini-buraco-negro’ em relação aos seus primos gigantes que perambulam no Universo?

Qual o buraco negro mais simples que existe?

“Os buracos negros mais simples são aqueles que têm uma singularidade no centro e que são cercados por um ‘horizonte de eventos’”, disse a Dra. Cigdem Issever [1] do Departamento de Física da Universidade de Oxford. Ou melhor, um buraco negro de Schwarzschild ou buraco negro estático é nada mais que um buraco negro sem carga elétrica ou momento angular. Um buraco negro de Schwarzschild é tratado através da métrica de Schwarzschild, e não pode ser diferenciado de nenhum outro a não ser pela sua massa.

Quando um corpo se aproxima do centro do buraco negro em uma distância menor que o raio do ‘horizonte de eventos’, ele não pode mais escapar. Pior que isso, nem mesmo a luz consegue escapar quando o fóton está dentro do horizonte de eventos, daí o nome ‘buraco negro’, dado a este objeto por John Archibald Wheeler em 1967.

Como seria um buraco negro no lugar do Sol?

Produzir buracos negros é uma capacidade gravitacional da massa (energia): a massa compactada em uma esfera com um raio igual ao que é conhecido como ‘raio de Schwarzschild‘ (um limiar além do qual a gravidade faz o objeto colapsar para dentro de si) produzirá um buraco negro.

“Na verdade, simplesmente, o tamanho do raio de Schwarzschild (Rs) é diretamente proporcional à quantidade de massa (M) compactada”, disse Cigdem, conforme a expressão:

Rs = 2GM/c²
Rs = raio de Schwarzschild
G = constante de gravitação universal ≈ 6,67428 x 10-11 m³/(kg.s²)
M = massa do buraco negro
= velocidade da luz ao quadrado = (299.792.458 m/s)²

“Por exemplo, para formar um buraco negro com a massa da Terra, sua massa teria que ser comprimida em uma esfera de raio comparável ao de uma bola de gude (um raio de 8,9 mm). Outra comparação interessante: o raio de Schwarzschild do Sol é estimado menos de 3 km[2].

Então, o que seria se substituirmos hipoteticamente, através de um suposto passe de mágica, o nosso Sol por um buraco negro?

Se substituirmos o nosso Sol, por um buraco negro de Schwarzschild com a mesma massa do Sol, surpreendentemente, não se alterará muito a geometria do nosso Sistema Solar, em termos gravitacionais. As órbitas dos planetas permaneceriam praticamente as mesmas, porque o campo gravitacional que poderia produzir um buraco negro de Schwarzschild seria justamente análogo ao do Sol. Obviamente, estaríamos agora em um Sistema não mais banhado pela radiação solar, um local extremamente gelado e escuro!

Se um micro-buraco-negro aparecer, quase instantaneamente depois ele irá decair e uma nova família de partículas será gerada e capturada pelo detector ATLAS!

Se um micro-buraco-negro aparecer, quase instantaneamente depois ele irá decair e uma nova família de partículas será gerada e capturada pelo detector ATLAS!

Será possível formar ‘mini-buracos-negros’ em laboratório?

Mas o interesse de Cigdem em buracos negros não é meramente teórico. Assim, através da física de partículas, ela vai procurar as possíveis assinaturas dos ‘mini-buracos-negros’ nas colisões no LHC:

Comecei a me interessar por eles na física de partículas, em 2003, porque os modelos preconizam que as dimensões extras podem ser produzidas em raios cósmicos de alta energia e, nesse caso, também nos aceleradores de partículas. Se realmente formos capazes de produzi-los, isto poderia nos dar uma nova visão experimental dos efeitos gravito-quânticos.

Ela esperava que estudá-los poderia levar à formulação de uma teoria quântica da gravidade: casando finalmente a Teoria da Relatividade Geral (que descreve a gravidade em larga escala) com a mecânica quântica (que descreve a física das partículas, em distâncias muito pequenas).

Um dos papéis do LHC é colidir prótons entre si. Estes prótons, na prática, são constituídos de componentes menores, conhecido como o ‘pártons’ (quarks + glúons) que são efetivamente as partículas em colisão no LHC. O raio de Schwarzschild para dois ‘pártons’ em colisão (quarks + glúons) no LHC é pelo menos 15 ordens de magnitude (10-15 vezes) menor do que o comprimento de Planck – a menor distância ou  tamanho que um objeto pode atingir em nosso Universo convencional.

Cigdem afirmou:

Isto significa que, nos modelos convencionais da física, não há maneira possível para  um ‘mini-buraco-negro’ ser gerado em uma colisão de dois ‘pártons’. “No entanto, existem ou modelos físicos alternativos propostos os quais sugerem que a gravidade poderia ser significativamente maior em distâncias muito curtas, até 1038 [10 com 38 zeros] vezes maior.

Se isto for verdade, então o raio de Schwarzschild dos dois ‘pártons’ que colidiram poderá se tornar grande o suficiente para que, no centro de massa-energia do LHC, o dois ‘pártons’ passem um perto do outro dentro do seu raio de Schwarzschild, permitindo que os ‘pártons’ se agreguem gerando um ‘micro-buraco-negro’. Portanto, talvez possamos ser capazes de produzir buracos negros microscópicos, afinal.

Afinal, quem é que tem medo de um ‘mini-buraco-negro’?

Então como seriam esses buracos negros microscópicos? Devemos nos preocupar com eles?

Cigdem respondeu:

De acordo com Stephen Hawking, a rigor, este evento não formariam um buraco negro estável. Eles se evaporam com o tempo, conforme o espectro da radiação de um corpo negro. Assim, a taxa de evaporação será inversamente proporcional à massa do buraco negro.

Os buracos negros astronômicos são tão massivos que sua taxa de evaporação é praticamente desprezível em relação à sua massa. Em contraste, os ‘mini-buracos-negros’ são quentes: formidavelmente quentes. Comparando: sabemos que o núcleo do Sol (onde se realiza a nucleossíntese estelar) tem uma temperatura de cerca de 15.000.000 Kelvin. Mas, para chegar perto da temperatura de um ‘micro-buraco-negro’ teríamos que adicionar mais 42 zeros (multiplicar por 1042).

Isto indica que a temperatura é inacreditável enquanto que a massa de um ‘micro-buraco-negro’ é minúscula”. Assim, evaporar no espaço muito mais frio a sua volta acontece em um tempo quase infinitamente rápido. Sua vida útil prevista é de cerca de um octilhão de um nanosegundo, desaparecendo instantaneamente depois de sua geração.

E isto, na verdade, seria ótimo, pois, se eles aparecerem para quase que instantaneamente explodir (ou melhor, decair, pois estamos falando de partículas subatômicas) em seguida e uma nova família de partículas será gerada e capturada pelo detector ATLAS!

Cigdem acrescentou:

Essas partículas que o ATLAS irá possivelmente detectar terão algumas características impactantes. A energia total depositada no detector será da ordem de alguns TeV [Tera elétron volt] e o número de partículas resultante, no estado final, será maior. A assinatura indistinguível dos buracos negros dificilmente poderá ser imitada quaisquer novas teorias físicas e assim, se eles forem efetivamente gerados, será muito difícil não registrá-los.

Em 30 de março começou ‘O Jogo da Caça ao MBN’: o LHC está programado para colidir partículas com energias da ordem de 7 TeV que nos permitirá, assim esperamos, ver alguns efeitos da gravidade quântica pela primeira vez.

Para saber mais leia “O que os buracos negros podem nos ensinar” por Sabine Hossenfelder, o relatório do LHC “Revisão da segurança das colisões no LHC” e o artigo “Raio de Schwarzschild de um Buraco Negro: o que significa isso? ”.

Notas

[1] A Dra. Cidgem Issever passou a fazer parte do CERN em 2010, para coordenar os esforços do Grupo de Partículas Exóticas no ATLAS.

[2] Cálculos do raio de Schwarzschild (Rs) para a Terra, o Sol e para o buraco negro supermassivo central da Via Láctea:

Considerando a constante de gravitação universal G ≈ 6,6743 x 10-11 m³/(kg.s²) e a velocidade da luz c = 299.792.458 m/s, temos:

  • M (Terra) ≈ 5,9742 × 1024 kg àRs (Terra) = 2GM/c² ≈ 8,873 milímetros;
  • M (Sol) ≈ 1,98892 × 1030 quilogramas à Rs (Sol) ≈ 2.954 metros;
  • M (BN Central da Via Láctea) = 4 milhões x Massa do Sol à Rs (BN central VL) ≈ 11,9 milhões de quilômetros ≈ 17 vezes o raio do Sol ≈ 20% da distância de Mercúrio ao Sol.

Fontes

CERN: LHC – programa de pesquisas segue em frente

SINC: O êxito das colisões no LHC inaugura novos descobrimentos da física

Raio de Schwarzschild de um Buraco Negro: o que significa isso?

LHC Safety Assessment Group: Review of the Safety of LHC Collisions

ArXiv.org: O que os buracos negros podem nos ensinar por Sabine Hossenfelder

._._.

2 comentários

2 menções

  1. ROCA

    Sim, Rômulo, mas para isto teríamos que postar mais artigos, e este é o primeiro.

    Sugestão anotada.

    Por enquanto, olhe na categoria: FÍSICA

  2. Rômulo Cortez de Paula

    Muito bom o artigo, ROCA.

    Seria interessante se você abrisse uma nova seção à direita do blog só para tratar de assuntos referentes ao LHC.

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  2. LHC: a procura pelo bóson de Higgs se estenderá por mais 1 ano, enquanto isso, os micro-buracos-negros se recusam a aparecer « Eternos Aprendizes

    […] O fim-do-mundo não está próximo, apesar do estardalhaço na mídia sobre as conseqüências da entrada de operação em 2009 do Grande Colisor de Hádrons (LHC – Large Hadron Collider). Falando sério agora, os […]

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