Os supercomputadores costumavam ser a única maneira de descobrir o que acontecia quando dois buracos negros colidiam. Você precisa de um enorme poder de processamento para resolver as equações de Einstein. A matemática fica pesada. O giro fica complicado. É um pesadelo para quem não mora dentro de um rack de servidor.
Agora? Os físicos da Penn State dizem que você não precisa de tudo isso. Você só precisa de termodinâmica.
Parece ridículo. Os buracos negros são poços gravitacionais, não motores. Eles não são vapor ou gás. Eles não deveriam obedecer às leis do calor. Mas eles fazem. Ou pelo menos, eles agem como agem. Um novo estudo publicado na revista Physical Review Letters sugere que a massa final e a rotação de um remanescente de buraco negro seguem uma regra surpreendentemente simples. Entropia máxima.
Você pode prever uma fusão de buraco negro com física simples?
Dois buracos negros em órbita não ficam separados. A gravidade os puxa com mais força. Eles entram em espiral. Então eles colidem. É um evento energético. Isso distorce o espaço-tempo. Ele envia ondas gravitacionais que percorrem bilhões de anos-luz.
Detectores baseados na Terra captam essas ondulações. Ouvimos o estrondo. O sinal nos permite estimar o tamanho do buraco negro restante. O remanescente.
Normalmente, obter uma previsão precisa requer a execução de simulações complexas. Resolvendo equações diferenciais até sua cabeça girar. A equipe da Penn State fez uma pergunta diferente. Podemos pular o supercomputador? Podemos usar princípios termodinâmicos básicos para prever o resultado?
Monica Rincon-Ramirez, a primeira autora do estudo, coloca desta forma:
“O buraco negro final após uma fusão está soando como um sino tocado e irradia mais ondas gravitacionais até se estabilizar… A pergunta que fizemos é: Podemos prever qual é o estado final usando argumentos da termodinâmica?”
É sobre como. Como a natureza decide o que resta depois que a poeira baixa?
Entropia, desordem e o estado final
A termodinâmica geralmente lida com gases. Motores. Culinária. Muitas partículas balançando. Descreve energia, calor e entropia em grande escala. Não rastreamos todas as moléculas. Nós olhamos para o quadro geral.
A relatividade geral faz isso de maneira diferente. Ele trata a gravidade como um espaço-tempo curvo. Determinístico. Uma entrada, uma saída. Sem aleatoriedade. Antigamente, pensava-se que os buracos negros estavam totalmente fora da termodinâmica. Isso mudou na década de 1970, quando Stephen Hawking mostrou que eles irradiam energia. Eles têm entropia.
Os pesquisadores da Penn State ampliaram isso. Eles analisaram sistemas binários de buracos negros. Fusões. Especificamente, eles analisaram o momento angular. Ele mede o movimento rotacional. As fusões perdem energia e momento angular para ondas gravitacionais.
Então, o que resta?
Vaishak Prasad, coautor, explica a entropia claramente:
“A entropia é essencialmente uma medida de desordem… Uma sala bagunçada tem alta entropia… Uma sala perfeitamente arrumada tem baixa entropia… A natureza tende a derivar para estados de alta entropia porque há mais deles.”
Os pesquisadores levantam a hipótese de que a fusão faz a mesma coisa. O sistema deriva em direção ao estado com a maior entropia possível. O arranjo mais provável. Depois de contabilizar a energia perdida e o giro.
É uma “conjectura de entropia máxima”.
Simulações de correspondência sem o código
A ideia não é nova em teoria. Isso reflete como prevemos o estado final da mistura de gases quentes e frios. Você não rastreia todas as colisões. Você maximiza a entropia. Você obtém a resposta.
A equipe se perguntou se a mesma lógica se aplica aos buracos negros.
Eles testaram. Eles mapearam a massa e o momento angular da fusão de buracos negros em uma sequência de possíveis remanescentes giratórios. Então eles encontraram o ponto de pico de entropia nessa sequência. Finalmente, eles compararam com resultados de simulações da relatividade numérica. Essas simulações são o padrão ouro. Caro. Demorado. Preciso.
A partida foi marcante.
“Notavelmente, observamos que a entropia desta sequência atinge um máximo em pontos notavelmente próximos da massa e do momento angular do remanescente final real… concordância dentro de alguns por cento”, observou Rincon-Ramirez.
Não é apenas uma aproximação. Está dentro de alguns por cento da simulação complexa. Isso é impressionante para uma regra tão simples.
Eugenio Bianchi, professor e coautor, destaca o contraste:
“Quando dois gases quentes são colocados em contato… não é necessário rastrear a interação microscópica… Maximizar a entropia, ao mesmo tempo em que leva em conta outras leis físicas, prevê o resultado. Nossa nova conjectura propõe que a mesma regra ampla poderia determinar o que resta quando dois buracos negros se combinam.”
Por que isso é importante para a física dos buracos negros
O último buraco negro esquece quase tudo sobre a colisão. Quase não guarda memória da fusão caótica. O que resta é descrito por apenas dois números. Massa e rotação. O “teorema sem cabelo”.
Mas por que esses números específicos? Por que não outra combinação?
A abordagem termodinâmica oferece uma resposta. O remanescente se estabelece no estado que maximiza a entropia. É o resultado mais natural e mais provável.
B.S. Sathyaprakash, que liderou a pesquisa, vê isso como mais do que apenas um atalho.
“Este trabalho explora possibilidades surpreendentes na interseção da gravidade, da física dos buracos negros e da termodinâmica… levanta uma questão transformadora: Poderia a maximização da entropia ser o princípio organizador fundamental que rege as interações dos buracos negros?”
Vai além das leis estabelecidas da mecânica dos buracos negros. Isso sugere uma conexão mais profunda entre gravidade e termodinâmica. Um que pode se aplicar a mais do que apenas fusões.
A Fundação Nacional de Ciência dos EUA apoiou a pesquisa. As descobertas apareceram em Physical Review Letters como sugestão do editor.
É uma visão mais limpa de um universo confuso. Não precisamos simular cada átomo do espaço-tempo. Só precisamos ver onde a desordem se instala.
Mas isso significa que todos os eventos cósmicos seguem caminhos termodinâmicos simples? Ou os buracos negros são únicos o suficiente para burlar a regra? Talvez nunca saibamos com certeza. O universo nem sempre se explica.
