A teoria da relatividade geral de Albert Einstein transformou nossa compreensão do Universo. Suas equações permitiram prever fenômenos como ondas gravitacionais e buracos negros, mas também criaram alguns dos problemas matemáticos mais difíceis da física moderna.
Um deles permanecia particularmente complicado: como descrever matematicamente um objeto compacto em rotação inserido em um Universo que está se expandindo?
Separadamente, os físicos já possuíam soluções para os dois cenários. O problema era combinar essas características em uma única solução exata das equações de Einstein.
Agora, Alejandro Peña Peña, pesquisador da Universidade Autônoma de Madri (UAM), apresentou uma solução para o problema. O trabalho foi publicado na revista científica Physics Letters B.
A peça que faltava nas equações de Einstein
Em 1963, o matemático Roy Kerr encontrou uma das soluções mais importantes da relatividade geral: uma métrica capaz de descrever o espaço-tempo ao redor de um buraco negro em rotação.
A chamada métrica de Kerr tornou-se fundamental para a astrofísica.
Ela possui, entretanto, uma simplificação importante: o espaço ao redor do objeto não representa diretamente um Universo cosmológico em expansão.
Em outra escala, os cientistas utilizam a métrica de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker, conhecida como FLRW, para descrever um Universo homogêneo e isotrópico que se expande ao longo do tempo.
Também existe a solução de McVittie, desenvolvida para representar uma massa esfericamente simétrica, sem rotação, inserida em um Universo em expansão.
Faltava combinar elementos desses modelos.
A nova solução funciona em diferentes cenários
A proposta desenvolvida por Peña possui uma característica importante: quando determinados parâmetros são removidos, ela recupera soluções clássicas já conhecidas.
Se a expansão cosmológica é eliminada, a métrica retorna à solução de Kerr.
Quando a rotação é retirada, surge o caso de McVittie.
E, suficientemente longe do objeto central, a geometria tende ao comportamento esperado de um Universo descrito pelo modelo FLRW.
Essas propriedades são importantes porque mostram que a solução conecta de maneira consistente diferentes situações físicas já estudadas.
O resultado fornece, assim, uma nova ferramenta matemática para investigar objetos compactos em rotação dentro de um cenário cosmológico dinâmico.
Buracos negros poderiam crescer junto com o Universo?
O trabalho também entra em uma discussão recente da cosmologia.
Nos últimos anos, pesquisadores investigaram uma hipótese conhecida como acoplamento cosmológico. Segundo algumas versões dessa ideia, a massa dos buracos negros poderia aumentar à medida que o Universo se expande, mesmo sem a necessidade de absorver proporcionalmente matéria do ambiente.
A possibilidade despertou interesse porque poderia estabelecer uma conexão entre buracos negros e um dos maiores mistérios da física: a energia escura.
Observações indicam que a expansão do Universo está acelerando. Para explicar esse comportamento, o modelo cosmológico padrão inclui a energia escura, responsável por aproximadamente 70% do conteúdo energético do cosmos.
Sua natureza, porém, continua desconhecida.
Alguns modelos sugeriram que populações de buracos negros poderiam contribuir para esse fenômeno por meio do acoplamento cosmológico.
Nova solução coloca limites nessa hipótese
A análise realizada com a nova métrica não encontra o crescimento da massa do objeto central simplesmente como consequência da expansão cosmológica.
Isso indica que a coexistência de uma massa em rotação e da expansão do Universo não implica automaticamente que sua massa aumente acompanhando o fator de escala cosmológico.
O resultado, portanto, representa um desafio para determinadas versões da hipótese que relacionam diretamente o crescimento de buracos negros à expansão do cosmos.
Mas isso não significa que todas as possíveis relações entre buracos negros e energia escura estejam definitivamente descartadas.
Modelos cosmológicos dependem de diferentes hipóteses físicas e matemáticas, e uma nova solução pode justamente ajudar pesquisadores a testar quais cenários permanecem consistentes.
Uma nova ferramenta para estudar o Universo
Além das possíveis consequências para a energia escura, a solução apresentada por Peña tem valor como avanço em relatividade geral.
Encontrar soluções exatas para as equações de Einstein é extremamente difícil, especialmente quando entram em cena simultaneamente rotação, gravidade intensa e expansão cosmológica.
A nova métrica conecta três cenários fundamentais: objetos em rotação, massas inseridas em cosmologias dinâmicas e o comportamento do Universo em grandes escalas.
Quase 90 anos depois dos primeiros esforços para combinar esses elementos, uma nova peça matemática entra no quebra-cabeça.
E ela poderá ajudar os físicos não apenas a compreender melhor os buracos negros, mas também a testar até onde algumas das principais hipóteses sobre a evolução do Universo realmente conseguem chegar.
[ Fonte: Xataka ]
