Gravastars, uma teoria alternativa aos buracos negros – Parte 1

Gravastars são objetos teóricos propostos como alternativas aos buracos negros. Essa teoria foi introduzida no início dos anos 2000 por físicos, incluindo Pawel Mazur e Emil Mottola, como uma forma de resolver alguns dos paradoxos e questões não resolvidas associadas aos buracos negros, como a singularidade no centro de um buraco negro e o paradoxo da informação.

O problema da singularidade

A singularidade refere-se a um ponto dentro de um buraco negro onde as leis da física, conforme as conhecemos, não mais se aplicam devido à gravidade infinitamente intensa. Neste ponto, a densidade da matéria é teoricamente infinita, e o espaço-tempo é curvado ao extremo.

Em termos clássicos, conforme descrito pela Teoria da Relatividade Geral de Einstein, a singularidade é o “coração” de um buraco negro, onde todo o material que entra no buraco negro é acreditado ser esmagado sob uma gravidade imensurável. A singularidade está rodeada pelo horizonte de eventos, que é a “fronteira” invisível ao redor de um buraco negro, além da qual nada, nem mesmo a luz, pode escapar.

A singularidade representa um dos maiores desafios para a física moderna, pois as leis da mecânica quântica e da relatividade geral parecem entrar em conflito nesse ponto. A mecânica quântica, que rege o comportamento de partículas em escalas muito pequenas, não prevê singularidades com densidade infinita.

Devido à natureza inacessível das singularidades, cercadas pelo horizonte de eventos, as observações diretas são impossíveis com a tecnologia atual, e muito do que sabemos sobre elas é teórico ou inferido por meio de observações indiretas, como os efeitos dos buracos negros em sua vizinhança.

O paradoxo da informação

Imagine que um buraco negro é como um grande triturador de documentos no espaço. Tudo o que cai nele, como estrelas, planetas ou qualquer outra coisa, é triturado tão completamente que parece impossível saber o que era antes. De acordo com as regras da física que usamos para entender o mundo ao nosso redor, não deveríamos perder completamente essa “informação” sobre o que foi triturado. Essa informação é como um conjunto de instruções detalhadas sobre como fazer algo, como uma receita de bolo. Mesmo que o bolo esteja feito, você pode olhar para ele e descobrir quais ingredientes foram usados e como. Na física, essa ideia de nunca perder a “receita” é muito importante.

Aqui entra a parte interessante que Stephen Hawking descobriu. Ele sugeriu que os buracos negros não são completamente silenciosos e escuros, mas podem emitir um tipo de radiação, agora chamada de radiação de Hawking. É como se o triturador de documentos estivesse vazando um pouco de fumaça enquanto tritura tudo. A princípio, isso soou como uma boa notícia, porque se o buraco negro está emitindo algo, talvez essa “fumaça” contenha pistas sobre o que foi triturado.

O problema é que a radiação de Hawking parece ser apenas fumaça comum, sem nenhuma pista específica sobre o que o buraco negro consumiu. Isso é estranho para os físicos, porque significa que a informação sobre o que caiu no buraco negro pode estar sendo perdida para sempre, o que contradiz as regras da física que mencionei antes, que dizem que não devemos perder a “receita”.

Então, o grande dilema é: se buracos negros realmente apagam todas as pistas sobre o que eles consomem, como isso se encaixa com o resto da física que conhecemos, que diz que a informação nunca deve ser completamente perdida? Essa é a essência do problema da informação em buracos negros.

Gravastar como solução

A ideia central por trás dos gravastars é que, ao invés de conter uma singularidade, o núcleo de um gravastar seria formado por um estado de matéria extremamente denso e exótico (energia escura, talvez), com uma pressão negativa. Isso criaria um efeito repulsivo dentro do objeto, evitando o colapso gravitacional em uma singularidade, como previsto para os buracos negros.

A região externa do gravastar seria indistinguível de um buraco negro, possuindo um horizonte de eventos. No entanto, ao invés de conduzir a uma singularidade, o horizonte cercaria o núcleo exótico.

O gravastar teria 3 camadas:

1. Um núcleo ultra-denso: Este núcleo não é feito de matéria estelar convencional, mas de um tipo exótico de matéria ou condensado de Bose-Einstein com pressão negativa. Essa pressão negativa seria capaz de evitar o colapso completo do objeto em uma singularidade, criando uma espécie de repulsão que equilibra a atração gravitacional.
2. Uma casca fina: Ao redor do núcleo, haveria uma casca muito fina, mas incrivelmente densa, possivelmente formada por matéria ordinária ou algum tipo de matéria exótica. Esta casca atua como a fronteira do gravastar.
3. Um espaço-tempo vazio exterior: Fora da casca, o espaço-tempo seria praticamente indistinguível do espaço-tempo ao redor de um buraco negro. Isso significa que, de fora, um gravastar poderia parecer muito com um buraco negro, tendo um horizonte de eventos, mas sem uma singularidade interna.

Portanto, de acordo com a teoria dos gravastars, uma estrela moribunda que normalmente se tornaria um buraco negro poderia, em vez disso, acabar como um gravastar sob as condições certas.

O nome “gravastar” é uma contração de “gravitational vacuum star”, que pode ser traduzido como “estrela de vácuo gravitacional”. Esse nome foi escolhido para refletir a natureza teórica desses objetos, que seriam formados por uma combinação de características gravitacionais extremas e um estado de vácuo com pressão negativa.

Em vez de colapsar em uma singularidade como os buracos negros, uma estrela massiva em colapso poderia atingir um ponto onde a matéria se transforma em um novo estado. Esse novo estado teria uma pressão negativa suficientemente forte para contrabalançar a gravidade, evitando o colapso em uma singularidade. O termo “vácuo” é usado aqui para descrever o estado exótico de matéria com pressão negativa, não significando que o interior de um gravastar seja vazio no sentido comum.

Esse modelo resolveria também o problema da perda de informações, pois a casca fina do gravastar poderia refletir ou armazenar a informação, evitando a perda irreversível associada à entrada em um buraco negro. Esse arranjo poderia, teoricamente, preservar a informação conforme os princípios da mecânica quântica.

Este é o modelo original do gravastar. Porém temos dois problemas, que iremos explorar amanhã no artigo parte 2. Uma deles é que a casca é instável, principalmente se a gravastar estiver girando. O segundo problema é que as observações de ondas gravitacionais de grandes fusões de corpos confirmam o modelo padrão de buraco negro.