O nouă cercetare teoretică arată că este imposibil să se formeze o gaură neagră doar cu energia particulelor de lumină. Astfel, este pusă la zid teoria relativității generale a lui Einstein.
O nouă cercetare sugerează că obiectele extreme cunoscute sub numele de „kugelblitze" - găuri negre formate exclusiv din lumină - sunt imposibile în universul nostru. Astfel, se pune la îndoială teoria relativității generale a lui Einstein. Descoperirea impune constrângeri semnificative asupra modelelor cosmologice. Aceasta demonstrează modul în care mecanica cuantică și relativitatea generală pot fi reconciliate pentru a răspunde la întrebări științifice complexe.
Găurile negre, pline de mister
Găurile negre se formează atunci când obiecte masive se prăbușesc sub propria lor gravitație. Teoria relativității a lui Einstein sugerează că un astfel de obiect se poate forma din concentrații suficient de mari de lumină însăși. Sursă foto: Wired
Găurile negre sunt obiecte masive cu o atracție gravitațională atât de puternică încât nici măcar lumina nu le poate scăpa. Sunt printre cele mai intrigante și bizare obiecte din univers. De obicei, acestea se formează prin colapsul stelelor masive la sfârșitul ciclului lor de viață. Atunci, presiunea reacțiilor termonucleare din miezul lor nu mai poate contracara forța gravitațională.
Cu toate acestea, există ipoteze mai exotice privind formarea găurilor negre. Una dintre aceste teorii implică crearea unui kugelblitz", în germană „fulger cu bile".
„Un kugelblitz este o gaură neagră ipotetică care, în loc să se formeze din colapsul materiei obișnuite (ale cărei componente principale sunt protonii, neutronii și electronii), se formează din concentrarea unor cantități uriașe de radiații electromagnetice, cum ar fi lumina", a declarat coautorul studiului José Polo-Gómez. Acesta este fizician la Universitatea din Waterloo și la Institutul Perimeter pentru Fizică Teoretică din Canada.
Teoria relativității a lui Einstein, pusă la zid
„Chiar dacă lumina nu are masă, ea transportă energie", a spus Polo-Gómez. Acesta a adăugat că, în teoria relativității generale a lui Einstein, energia este responsabilă pentru crearea curburilor în spațiu-timp. Acestea au ca rezultat atracțiile gravitaționale. „Din acest motiv, este posibil, în principiu, ca lumina să formeze găuri negre, dacă concentrăm suficientă lumină într-un volum suficient de mic", a spus el.
Aceste principii sunt valabile în cadrul relativității generale clasice, care nu ține cont de fenomenele cuantice. Pentru a explora impactul potențial al efectelor cuantice asupra formării kugelblitz, Polo-Gómez și colegii săi au examinat influența efectului Schwinger.
„Atunci când există o energie electromagnetică incredibil de intensă - de exemplu, din cauza concentrațiilor uriașe de lumină - o parte din această energie se transformă în materie sub formă de perechi electron-positron. Acesta este un efect cuantic numit efectul Schwinger. Este, de asemenea, cunoscut sub numele de polarizare în vid", a declarat autorul principal al studiului, Álvaro Álvarez-Domínguez. Acesta este specialist la Institutul de Fizică a Particulelor și Cosmosului (IPARCOS) din cadrul Universității Complutense din Madrid.
Energie și lumină pură
Teoria generală a relativității a lui Einstein afirmă că energia, mai degrabă decât masa, este responsabilă de curbura spațiu-timpului care determină atracțiile gravitaționale. Conform acestei teorii, găurile negre ar trebui să fie capabile să se formeze doar din energia luminii. Sursă foto: Live Science
Studiul a fost acceptat pentru publicare în revista Physical Review Letters, dar nu a fost încă publicat. Echipa a calculat rata la care perechile electron-pozitron produse într-un câmp electromagnetic ar epuiza energia. Dacă această rată depășește rata de refacere a energiei câmpului electromagnetic într-o anumită regiune, nu se poate forma un kugelblitz.
Echipa a constatat că, chiar și în cele mai extreme circumstanțe, lumina pură nu ar putea atinge niciodată pragul energetic necesar. Astfel, nu ar putea forma o gaură neagră.
„Ceea ce dovedim este că kugelblitze sunt imposibil de format prin concentrarea luminii, fie în mod artificial în laborator, fie în scenarii astrofizice naturale. De exemplu, chiar dacă am folosi cele mai intense lasere de pe Pământ, am fi totuși la mai mult de 50 de ordine de mărime distanță de intensitatea necesară pentru a crea un kugelblitz", a declarat coautorul studiului, Luis J. Garay.
Implicații teoretice profunde
Această descoperire are implicații teoretice profunde. Se constrâng în mod semnificativ modelele astrofizice și cosmologice considerate anterior care presupun existența kugelblitze. De asemenea, ea spulberă orice speranță de a studia experimental găurile negre în condiții de laborator. Acestea nu pot fi astfel create prin radiații electromagnetice.
Cu toate acestea, rezultatul pozitiv al studiului arată că efectele cuantice pot fi integrate eficient în problemele care implică gravitația. Astfel, se oferă răspunsuri clare la întrebări științifice actuale. „Din punct de vedere teoretic, această lucrare arată cum efectele cuantice pot juca un rol important în înțelegerea mecanismelor de formare și apariție a obiectelor astrofizice", a declarat Polo-Gómez.
Inspirați de descoperirile lor, cercetătorii intenționează să continue explorarea influenței efectelor cuantice asupra diferitelor fenomene gravitaționale, care au atât o semnificație practică, cât și fundamentală.
„Mai mulți dintre noi suntem foarte interesați de continuarea studiului proprietăților gravitaționale ale materiei cuantice, în special în scenariile în care această materie cuantică încalcă condițiile energetice tradiționale", a declarat Eduardo Martín-Martínez, de asemenea de la Universitatea din Waterloo și Institutul Perimeter. „Acest tip de materie cuantică poate, în principiu, să dea naștere unor spațio-timpuri exotice, ducând la efecte precum gravitația repulsivă sau producând soluții exotice precum motorul warp Alcubierre sau găurile de vierme traversabile" a spus acesta, conform Live Science .