O QUE é UMA SINGULARIDADE?

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Desde que os cientistas descobriram a existência de buracos negros em nosso universo, todos nos perguntamos: o que poderia existir além do véu desse vazio terrível? Além disso, desde que a teoria da Relatividade Geral foi proposta pela primeira vez, os cientistas foram forçados a pensar: o que poderia ter existido antes do nascimento do Universo - ou seja, antes do Big Bang?

É interessante notar que essas duas questões foram resolvidas (de certa maneira) com a existência teórica de algo conhecido como Singularidade Gravitacional - um ponto no espaço-tempo em que as leis da física como as conhecemos quebram. E, embora ainda existam desafios e questões não resolvidas sobre essa teoria, muitos cientistas acreditam que, sob o véu de um horizonte de eventos, e no início do Universo, era isso que existia.

Definição:

Em termos científicos, uma singularidade gravitacional (ou singularidade espaço-temporal) é um local em que as quantidades usadas para medir o campo gravitacional se tornam infinitas de uma maneira que não depende do sistema de coordenadas. Em outras palavras, é um ponto em que todas as leis físicas são indistinguíveis uma da outra, onde espaço e tempo não são mais realidades inter-relacionadas, mas se fundem indistinguivelmente e deixam de ter qualquer significado independente.

Origem da teoria:

As singularidades foram predicadas como resultado da Teoria da Relatividade Geral de Einstein, que resultou na existência teórica de buracos negros. Em essência, a teoria previa que qualquer estrela que alcançasse além de um certo ponto de sua massa (também conhecido como Schwarzschild Radius) exerceria uma força gravitacional tão intensa que entraria em colapso.

Nesse ponto, nada seria capaz de escapar de sua superfície, incluindo a luz. Isso se deve ao fato de a força gravitacional exceder a velocidade da luz no vácuo - 299.792.458 metros por segundo (1.079.252.848,8 km / h; 670.616.629 mph).

Esse fenômeno é conhecido como limite de Chandrasekhar, em homenagem ao astrofísico indiano Subrahmanyan Chandrasekhar, que o propôs em 1930. Atualmente, acredita-se que o valor aceito desse limite seja 1,39 massas solares (1,39 vezes a massa do nosso Sol), o que resulta em incríveis 2.765 x 10³⁰ kg (ou 2.765 trilhões de trilhões de toneladas).

Outro aspecto da Relatividade Geral moderna é que, na época do Big Bang (ou seja, o estado inicial do Universo), era uma singularidade. Roger Penrose e Stephen Hawking desenvolveram teorias que tentaram responder como a gravitação poderia produzir singularidades, que eventualmente se fundiram para serem conhecidas como Teoremas de Singularidade Penrose-Hawking.

De acordo com o Teorema da Singularidade de Penrose, que ele propôs em 1965, uma singularidade temporal ocorrerá dentro de um buraco negro sempre que a matéria atingir certas condições de energia. Nesse ponto, a curvatura do espaço-tempo dentro do buraco negro se torna infinita, transformando-a em uma superfície aprisionada onde o tempo deixa de funcionar.

O Teorema da Singularidade de Hawking acrescentou a isso afirmando que uma singularidade semelhante ao espaço pode ocorrer quando a matéria é comprimida à força até certo ponto, causando a quebra das regras que governam a matéria. Hawking localizou isso no tempo até o Big Bang, que ele alegou ser um ponto de densidade infinita. No entanto, Hawking posteriormente revisou isso para afirmar que a relatividade geral se decompõe às vezes antes do Big Bang e, portanto, nenhuma singularidade poderia ser prevista por ele.

Algumas propostas mais recentes também sugerem que o Universo não começou como uma singularidade. Isso inclui teorias como a Gravidade Quântica em Loop, que tenta unificar as leis da física quântica com a gravidade. Essa teoria afirma que, devido aos efeitos da gravidade quântica, há uma distância mínima além da qual a gravidade não continua mais aumentando, ou que as ondas de partículas interpenetrantes mascaram os efeitos gravitacionais que seriam sentidos à distância.

Tipos de singularidades:

Os dois tipos mais importantes de singularidades espaço-temporais são conhecidos como Singularidades de curvatura e Singularidades cônicas. As singularidades também podem ser divididas de acordo com a cobertura ou não de um horizonte de eventos. No caso do primeiro, você tem a Curvatura e o Cônico; enquanto que, no último, você tem o que é conhecido como Naked Singularities.

Uma singularidade de curvatura é melhor exemplificada por um buraco negro. No centro de um buraco negro, o espaço-tempo se torna um ponto unidimensional que contém uma massa enorme. Como resultado, a gravidade se torna infinita e o espaço-tempo se curva infinitamente, e as leis da física como as conhecemos deixam de funcionar.

As singularidades cônicas ocorrem quando há um ponto em que o limite de toda quantidade geral de covariância é finito. Nesse caso, o espaço-tempo se parece com um cone em torno deste ponto, onde a singularidade está localizada na ponta do cone. Um exemplo dessa singularidade cônica é uma corda cósmica, um tipo de ponto hipotético unidimensional que se acredita ter se formado durante o Universo primitivo.

E, como mencionado, existe a Naked Singularity, um tipo de singularidade que não está oculta atrás de um horizonte de eventos. Estes foram descobertos pela primeira vez em 1991 por Shapiro e Teukolsky usando simulações de computador de um plano rotativo de poeira que indicava que a Relatividade Geral poderia permitir singularidades "nuas".

Nesse caso, o que realmente acontece dentro de um buraco negro (ou seja, sua singularidade) seria visível. Tal singularidade seria teoricamente o que existia antes do Big Bang. A palavra-chave aqui é teórica, pois permanece um mistério como seriam esses objetos.

Por enquanto, as singularidades e o que realmente está sob o véu de um buraco negro permanece um mistério. Com o passar do tempo, espera-se que os astrônomos sejam capazes de estudar os buracos negros com mais detalhes. Espera-se também que, nas próximas décadas, os cientistas encontrem uma maneira de mesclar os princípios da mecânica quântica com a gravidade, e que isso ajude a esclarecer como essa força misteriosa opera.

Temos muitos artigos interessantes sobre singularidades gravitacionais aqui na Space Magazine. Aqui estão 10 fatos interessantes sobre buracos negros, como seria um buraco negro ?, o Big Bang seria apenas um buraco negro ?, adeus Big Bang, olá buraco negro ?, quem é Stephen Hawking? E o que está do outro lado da Terra um buraco negro?

Se você quiser obter mais informações sobre singularidade, consulte estes artigos da NASA e Physlink.

Astronomy Cast tem alguns episódios relevantes sobre o assunto. Aqui está o episódio 6: mais evidências para o Big Bang e o episódio 18: buracos negros grandes e pequenos e o episódio 21: perguntas sobre buracos negros respondidas.

Fontes: