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O que distingue uma singularidade nua?

A explicação é de Pankaj Joshi, físico teórico que defende a existência do fenômeno 

cortesia de H. Chauhan
Roger Penrose (à esquerda) e Pankaj Joshi (direita) 

 
Por George Musser

 Como seria cair em uma singularidade nua?

No ano passado, o romancista Sergio De La Pava comparou o sistema judicial criminal americano ao estranho conceito físico das singularidades nuas. Isso me inspirou a pedir uma atualização ao autor do artigo da SCIENTIFIC AMERICAN, o físico teórico Pankaj Joshi, do Instituto Tata de Pesquisa Fundamental em Mumbai, na Índia (à direita na foto). Assista à sua palestra no YouTube (em inglês) também.

Imagine um buraco negro sem a parte “negra”; ou seja, um buraco negro no qual você pudesse cair e, com algum esforço, conseguisse escapar novamente para fora, desde que não atingisse o centro do buraco, ou a sua chamada singularidade espaço-tempo, onde seria irremediavelmente esmagado. Em outras palavras: imagine um buraco negro sem o seu perímetro externo (seu chamado “horizonte de eventos”), porém com sua singularidade central. É isso o que os físicos e cosmólogos chamam de singularidade nua.

Essa “coisa” seria muito estranha, como uma estrela tão diminuta que seria possível segurá-la na mão, embora você definitivamente não quisesse fazer isso. A coisa pode ter a massa de uma estrela inteira (ou mais) comprimida em algo que se aproxima de um ponto matemático. Ao seu redor, as densidades de energia, curvaturas do espaço-tempo, e todas as outras grandezas físicas ficariam arbitrariamente grandes. Tudo o que acontecesse ali seria governado pela física extrema.

Será que as singularidades nuas de fato podem se formar na natureza ou o colapso de uma estrela massiva sempre produz um horizonte de eventos?

Roger Penrose (à esquerda na foto acima) sugeriu que elas não podem se formar, mas estudos posteriores mostraram que em condições fisicamente razoáveis elas se formam sim, conforme Joshi expôs em um artigo da Scientific American Brasil há vários anos (ver Singularidades Nuas, Ed. 82, março de 2009). Essa é uma das questões avançadas mais debatidas na moderna física de buracos negros e astrofísica relativística.

Como a teoria da gravidade de Einstein permite a existência tanto de buracos negros como de singularidades nuas, cabe aos observadores resolverem a questão.

Mas como uma singularidade nua se distinguiria de outra que não o é? Em geral as singularidades ocorrem em dois tipos: as que são como eventos e as que são como objetos.

O Big Bang é uma singularidade do tipo evento, enquanto um buraco negro é como um objeto. Os dois tipos podem ser produzidos como estado final de um colapso gravitacional, dependendo de variáveis como a velocidade ou a lentidão do colapso, o desabamento de sua massa em direção ao centro, e a estrutura interna da nuvem de matéria.

Um colapso catastrófico como uma estrela massiva que implode em questão de segundos produzirá uma singularidade nua do tipo evento. Um colapso mais lento poderia produzir uma singularidade do tipo objeto.

Quando uma singularidade nua é como um evento ela se parece com uma explosão. À medida que a estrela colapsa, ela acaba ricocheteando devido aos efeitos gravitacionais quânticos. Nesse caso, os observadores precisam procurar por uma explosão de energia inexplicável de outra forma.

Quando uma singularidade nua é semelhante a um objeto, ela se parece mais com um buraco negro carente de um horizonte (daí o nome “nua”). Um disco de matéria que se move como um redemoinho se formaria ao seu redor. Meus colegas e eu recentemente mostramos que esse disco seria muito mais brilhante que o equivalente em torno de um buraco negro. Além disso, ele se diferenciaria por causa de seu espectro de luz, pela maior eficiência das colisões de partículas em sua vizinhança, e pelo modo como ele curva a luz.

As pessoas que têm uma disposição mental aventureira podem se imaginar embarcando em uma nave estelar e mergulhando em uma singularidade nua.

A descida seria bem diferente que a mesma viagem em um buraco negro. No caso do buraco negro, à medida que astronautas kamikazes se aproximassem do horizonte de eventos a luz emitida pelo buraco ficaria cada vez mais tênue e por fim ultrapassaria qualquer limite observável. No caso da singularidade nua, os raios de luz poderiam escapar de uma vizinhança arbitrária da singularidade. Os astronautas seriam capazes de manter o contato por rádio durante todo o trajeto de descida e enviar imagens diretas dos efeitos gravitacionais quânticos.

Se você apontar uma câmera diretamente para um buraco negro verá apenas um denso negrume; se apontá-la para uma singularidade nua verá um objeto pequeno e brilhante, embora com um espectro de luz incomum. Tecnicamente, não se vê a singularidade em si, mas os seus arredores imediatos. Os astronautas poderiam dizer: “Ah, é assim que a física é unificada” e na volta para casa contar aos seus amigos sobre sua façanha. Eles poderiam até sobreviver para contar a história.

Sobre o autor: George Musser é editor contribuinte da revista Scientific American. Ele se concentra em ciência espacial e física fundamental, de partículas a planetas a universos paralelos. Ele é o autor de The Complete Idiot`s Guide to String Theory (O Guia Completo do Idiota sobre a Teoria das Cordas, em tradução livre). Musser já ganhou inúmeros prêmios em sua carreira, inclusive o Prêmio 2011 de Comunicação em Ciência do Instituto Americano de Física. Siga-o no Twitter @gmusser

As opiniões expressas são as do autor e não necessariamente as da Scientific American.

Sciambr17set2013