Buraco de minhoca: história, teoria, tipos, formação - Ciência - 2023

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UMA buraco de minhoca, em astrofísica e cosmologia, é uma passagem que conecta dois pontos na estrutura do espaço-tempo. Assim como a maçã caindo inspirou a teoria da gravitação de Isaac Newton em 1687, os vermes que perfuram as maçãs inspiraram novas teorias, também no âmbito da gravitação.

Assim como o verme consegue chegar a outro ponto da superfície da maçã por meio de um túnel, os buracos de minhoca do espaço-tempo constituem atalhos teóricos que permitem que ele viaje para partes distantes do universo em menos tempo.

É uma ideia que conquistou e continua a capturar a imaginação de muitos. Enquanto isso, cosmologistas estão ocupados procurando maneiras de provar sua existência. Mas no momento eles ainda são objeto de especulação.

Para chegar um pouco mais perto de compreender os buracos de minhoca, a possibilidade de viagem no tempo através deles e as diferenças que existem entre os buracos de minhoca e os buracos negros, devemos examinar o conceito de espaço-tempo.

O que é espaço-tempo?

O conceito de espaço-tempo está intimamente ligado ao de buraco de minhoca. Por isso é necessário primeiro estabelecer o que é e quais são suas características principais.

O espaço-tempo é onde ocorre todo e qualquer evento no universo. E o universo por sua vez é a totalidade do espaço-tempo, capaz de abrigar todas as formas de matéria-energia e muito mais ...

Quando o noivo encontra a noiva é um evento, mas esse evento tem coordenadas espaciais: o local do encontro. E uma coordenada de horário: ano, mês, dia e hora da reunião.

O nascimento de uma estrela ou a explosão de uma supernova também são eventos que ocorrem no espaço-tempo.

Agora, em uma região do universo livre de massa e interações, o espaço-tempo é plano. Isso significa que dois raios de luz que começam paralelos continuam assim, desde que fiquem naquela região. A propósito, para um raio de luz, o tempo é eterno.

Claro, o espaço-tempo nem sempre é plano. O universo contém objetos que possuem massa que modificam o espaço-tempo, causando uma curvatura do espaço-tempo em escala universal.

Foi o próprio Albert Einstein quem percebeu, em um momento de inspiração que chamou"A ideia mais feliz da minha vida", que um observador acelerado é localmente indistinguível de outro que está próximo a um objeto massivo. É o famoso princípio de equivalência.

E um observador acelerado dobra o espaço-tempo, ou seja, a geometria euclidiana não é mais válida. Portanto, no ambiente de um objeto massivo como uma estrela, um planeta, uma galáxia, um buraco negro ou o próprio universo, o espaço-tempo se curva.

Essa curvatura é percebida pelo ser humano como uma força chamada gravidade, cotidiana, mas misteriosa ao mesmo tempo.

A gravidade é tão enigmática quanto a força que nos empurra para a frente quando o ônibus em que viajamos para de repente. É como se de repente algo invisível, escuro e maciço, por alguns momentos se avance e nos atraia, de repente nos impele para frente.

Os planetas se movem elipticamente em torno do Sol porque sua massa produz uma depressão na superfície do espaço-tempo que faz com que os planetas curvem seus caminhos. Um raio de luz também curva seu caminho seguindo a depressão do espaço-tempo produzida pelo sol.

Túneis através do espaço - tempo

Se o espaço-tempo é uma superfície curva, em princípio nada impede que uma área se conecte a outra através de um túnel. Viajar por tal túnel não implicaria apenas em mudar de lugar, mas também ofereceria a possibilidade de ir para outra época.

Essa ideia inspirou muitos livros, séries e filmes de ficção científica, incluindo a famosa série americana "The Time Tunnel" e mais recentemente "Deep Space 9" da franquia Star Trek e o filme Interestelar de 2014.

A ideia partiu do próprio Einstein, que, buscando soluções para as equações de campo da Relatividade Geral, encontrou junto com Nathan Rosen uma solução teórica que permitia conectar duas regiões diferentes do espaço-tempo por meio de um túnel que funcionava como um atalho.

Essa solução é conhecida como Ponte Einstein - Rosen e Ele aparece em um trabalho publicado em 1935.

No entanto, o termo "buraco de minhoca" foi usado pela primeira vez em 1957, graças aos físicos teóricos John Wheeler e Charles Misner em uma publicação daquele ano. Anteriormente, falava-se de "tubos unidimensionais" para se referir à mesma ideia.

Mais tarde, em 1980, Carl Sagan estava escrevendo o romance de ficção científica "Contact", um livro que mais tarde foi transformado em filme. A protagonista chamada Elly descobre vida extraterrestre inteligente a 25 mil anos-luz de distância. Carl Sagan queria que Elly viajasse para lá, mas de uma forma que fosse cientificamente confiável.

Viajar a 25 mil anos-luz de distância não é uma tarefa fácil para um ser humano, a menos que um atalho seja procurado. Um buraco negro não pode ser uma solução, pois ao se aproximar da singularidade, a gravidade diferencial separaria a espaçonave e sua tripulação.

Em busca de outras possibilidades, Carl Sagan consultou um dos maiores especialistas em buracos negros da época: Kip Thorne, que começou a pensar no assunto e percebeu que as pontes de Einstein-Rosen ou os buracos de minhoca de Wheeler era a solução.

Porém Thorne também percebeu que a solução matemática era instável, ou seja, o túnel se abre, mas logo em seguida se estrangula e desaparece.

A instabilidade dos buracos de minhoca

É possível usar buracos de minhoca para viajar grandes distâncias no espaço e no tempo?

Desde que foram inventados, os buracos de minhoca serviram em inúmeros enredos de ficção científica para levar seus protagonistas a lugares remotos e vivenciar os paradoxos do tempo não linear.

Kip Thorne encontrou duas soluções possíveis para o problema da instabilidade do buraco de minhoca:

Através da chamada espuma quântica. Na escala de Planck (10^-35 m) existem flutuações quânticas capazes de conectar duas regiões do espaço-tempo por meio de microtúneis. Uma hipotética civilização muito avançada poderia encontrar uma maneira de alargar as passagens e mantê-las por tempo suficiente para um humano passar.
Matéria de massa negativa. De acordo com cálculos publicados em 1990 pelo próprio Thorne, seriam necessárias grandes quantidades desse corpo estranho para manter as extremidades do buraco de minhoca abertas.

O notável dessa última solução é que, ao contrário dos buracos negros, não há singularidade ou fenômenos quânticos, e a passagem de humanos por esse tipo de túnel seria viável.

Dessa forma, os buracos de minhoca não permitiriam apenas que regiões distantes no espaço fossem conectadas, mas também separadas no tempo. Portanto, são máquinas para viajar no tempo.

Stephen Hawking, o grande referente da cosmologia no final do século 20, não acreditava que nem buracos de minhoca nem máquinas do tempo fossem viáveis, por causa dos muitos paradoxos e contradições que deles decorrem.

Isso não desanimou o ânimo de outros pesquisadores, que sugeriram a possibilidade de que dois buracos negros em diferentes áreas do espaço-tempo estejam internamente conectados por um buraco de minhoca.

Embora isso não fosse prático para viagens espaço-temporais, já que, além das tribulações que a entrada no buraco negro traria a singularidade, não haveria possibilidade de sair pelo outro lado, já que se trata de outro buraco negro.

Diferenças entre buracos negros e buracos de minhoca

Quando você fala sobre um buraco de minhoca, imediatamente pensa em buracos negros.

Um buraco negro se forma naturalmente, após a evolução e morte de uma estrela que possui uma determinada massa crítica.

Ela surge depois que a estrela esgota seu combustível nuclear e começa a se contrair irreversivelmente devido à sua própria força gravitacional. Ele continua implacavelmente até causar um colapso tal que nada mais perto do que o raio do horizonte de eventos pode escapar, nem mesmo a luz.

Em comparação, um buraco de minhoca é uma ocorrência rara, a consequência de uma anomalia hipotética na curvatura do espaço-tempo. Em teoria, é possível percorrê-los.

No entanto, se alguém tentasse passar por um buraco negro, a intensa gravidade e a radiação extrema nas proximidades da singularidade o tornariam um fino fio de partículas subatômicas.

Existem evidências indiretas, e apenas muito recentemente, evidências diretas da existência de buracos negros. Entre essas evidências estão a emissão e detecção de ondas gravitacionais pela atração e rotação de dois buracos negros colossais, detectados pelo observatório de ondas gravitacionais LIGO.

Há evidências de que existe um buraco negro supermassivo no centro de grandes galáxias como a Via Láctea.

A rápida rotação das estrelas perto do centro, bem como a enorme quantidade de radiação de alta frequência que emana de lá, são evidências indiretas de que existe um enorme buraco negro que explica a presença desses fenômenos.

Foi apenas no dia 10 de abril de 2019 que o mundo viu a primeira fotografia de um buraco negro supermassivo (7 bilhões de vezes a massa do Sol), localizado em uma galáxia muito distante: Messier 87 na constelação de Virgem, a 55 milhões anos-luz da Terra.

Esta fotografia de um buraco negro foi possibilitada pela rede mundial de telescópios, denominada “Event Horizon Telescope”, com a participação de mais de 200 cientistas de todo o mundo.

Dos buracos de minhoca, por outro lado, não há evidências até o momento. Os cientistas foram capazes de detectar e rastrear um buraco negro, mas o mesmo não foi possível com os buracos de minhoca.

Portanto, eles são objetos hipotéticos, embora teoricamente viáveis, como os buracos negros também o foram.

Variedade / tipos de buracos de minhoca

Embora ainda não tenham sido detectados, ou talvez precisamente por causa disso, diferentes possibilidades de buracos de minhoca foram imaginadas. Eles são todos teoricamente viáveis, pois satisfazem as equações de Einstein para a relatividade geral. Aqui estão alguns:

Buracos de minhoca que conectam duas regiões de espaço-tempo do mesmo universo.
Os buracos de minhoca capazes de conectar um universo com outro universo.
Pontes Einstein-Rosen, nas quais a matéria poderia passar de uma abertura para a outra. Embora essa passagem de matéria causasse instabilidade, fazendo com que o túnel desabasse sobre si mesmo.
Buraco de minhoca de Kip Thorne, com uma concha esférica de matéria de massa negativa. É estável e percorrível em ambas as direções.
O chamado buraco de minhoca Schwarzschild, que consiste em dois buracos negros estáticos conectados. Eles não são percorríveis, pois a matéria e a luz estão presas entre as duas extremidades.
Buracos de minhoca carregados e / ou rotativos ou Kerr, consistindo de dois buracos negros dinâmicos conectados internamente, percorríveis em apenas uma direção.
Espuma quântica de espaço-tempo, cuja existência é teorizada no nível subatômico. A espuma é composta por túneis subatômicos altamente instáveis que conectam diferentes áreas. Para estabilizá-los e expandi-los, seria necessário a criação de um plasma de quark-gluon, que exigiria uma quantidade quase infinita de energia para ser gerado.
Mais recentemente, graças à teoria das cordas, foram teorizados buracos de minhoca suportados por cordas cósmicas.
Buracos negros entrelaçados e depois separados, dos quais surge um buraco espaço-tempo, ou ponte de Einstein-Rosen, que é mantida unida pela gravidade. É uma solução teórica proposta em setembro de 2013 pelos físicos Juan Maldacena e Leonard Susskind.

Todos eles são perfeitamente possíveis, uma vez que não contradizem as equações da relatividade geral de Einstein.

Os buracos de minhoca algum dia serão vistos?

Por muito tempo, os buracos negros foram soluções teóricas para as equações de Einstein. O próprio Einstein questionou a possibilidade de que eles pudessem ser detectados pela humanidade.

Assim, por muito tempo, os buracos negros permaneceram como uma previsão teórica, até que fossem encontrados e localizados. Os cientistas têm a mesma esperança para buracos de minhoca.

É muito possível que eles também estejam lá, mas ainda não foi aprendido como localizá-los. Embora de acordo com uma publicação muito recente, os buracos de minhoca deixem rastros e sombras observáveis mesmo com telescópios.

Acredita-se que os fótons viajem ao redor do buraco de minhoca, gerando um anel luminoso. Os fótons mais próximos caem para dentro e deixam uma sombra que permitirá que sejam diferenciados dos buracos negros.

De acordo com Rajibul Shaikh, físico do Instituto Tata para Pesquisa Fundamental em Mumbai, na Índia, um tipo de buraco de minhoca giratório produziria uma sombra maior e deformada do que a de um buraco negro.

Em seu trabalho, Shaikh estudou as sombras teóricas lançadas por uma certa classe de buracos de minhoca giratórios, focando no papel crucial da garganta do buraco na formação de uma sombra de fóton que permite que ela seja identificada e diferenciada de um buraco negro.

Shaikh também analisou a dependência da sombra na rotação do buraco de minhoca e também a comparou com a sombra projetada por um buraco negro de Kerr giratório, encontrando diferenças significativas. É um trabalho totalmente teórico.

Além disso, por enquanto, os buracos de minhoca permanecem como abstrações matemáticas, mas é possível que alguns sejam identificados muito em breve. O que está no outro extremo ainda é objeto de conjecturas no momento.

Referências

O emaranhamento quântico pode dar origem à gravidade. Retirado de Cienciaaldia.com
Progresso da Física, Vol 61, Edição de setembro de 2013, Páginas 781-811
Buraco de minhoca. Retirado de wikipedia.org
Espaço-tempo. Retirado de wikipedia.org.
David Nield (2018). Novo papel louco sugere que buracos de minhoca projetam sombras que poderíamos ver facilmente com telescópios. Retirado de sciencealert.com

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