Buraco branco

A imagem no espelho de um buraco negro: como se poderia fazer um e qual seria o seu aspeto

Uma hipótese: a física permite no papel, mas ninguém nunca viu. Tudo segue a teoria como ela é hoje.

Passo a passo

Um buraco negro, ao contrário

As equações da relatividade geral funcionam igual qualquer que seja o sentido do tempo. Passe a história de um buraco negro ao contrário e tem um buraco branco: algo em que nada pode entrar e que lança matéria para fora.

Um buraco negro é um lugar de onde nada, nem sequer a luz, pode sair. As equações de Einstein não se importam com o sentido do tempo, por isso têm uma solução espelhada: um buraco branco, de onde saem coisas e onde nada pode entrar. Igor Novikov propôs em 1964 que tais objetos poderiam existir mesmo.

De longe os dois parecem iguais. A gravidade fora de um buraco branco é a mesma que fora de um buraco negro da mesma massa, por isso a luz curva-se à volta dele da mesma maneira e os planetas orbitá-lo-iam da mesma maneira. A diferença está na borda: no horizonte de um buraco negro tudo entra, no de um branco tudo sai.

Nunca se encontrou um buraco branco. Tudo aqui é teoria: a imagem é um buraco negro de dez sóis, com 59 km de lado a lado, e o que se segue é o que as equações dizem sobre a sua imagem no espelho.

Um mapa, quatro regiões

A solução completa das equações de Einstein para um buraco negro isolado tem quatro regiões: o nosso universo, um buraco negro, um buraco branco e outro universo. O buraco branco está no passado, o buraco negro no futuro.

Em 1960 Kruskal e Szekeres encontraram o mapa completo do espaço à volta de um buraco negro. Desenhado como um diagrama em que a luz viaja sempre a 45 graus, é um quadrado cortado pelas suas duas diagonais em quatro triângulos. O nosso universo está à direita e o tempo corre para cima.

Tudo o que cai do nosso universo passa para a região de cima, o buraco negro. Tudo o que alguma vez saiu do buraco branco fê-lo da região de baixo, no passado. Nada do nosso universo pode entrar no buraco branco, porque isso seria voltar atrás no tempo.

Um buraco negro feito por uma estrela que colapsa não tem região de buraco branco: a superfície da estrela corta o mapa, e o buraco branco e o segundo universo nunca lá estão. Por isso um buraco branco precisa da sua própria história de como se poderia formar.

Como se poderia fazer um

Nada conhecido o produz. Uma ideia: uma estrela que colapsa atinge o estado mais denso que a gravidade quântica permite, ressalta, e o buraco negro torna-se um buraco branco. O ressalto está desenhado.

A teoria de Einstein diz que a matéria num buraco negro colapsa até um ponto de densidade infinita, em que quase ninguém acredita. A gravidade quântica em laços, uma tentativa de juntar a gravidade à física quântica, diz que o espaço não pode ser comprimido abaixo de um tamanho mínimo, por isso o colapso pára e ressalta: uma estrela de Planck.

A outra ideia é mais antiga. Novikov sugeriu em 1964 que algumas regiões do universo primitivo ficaram para trás na expansão e explodiram tarde como buracos brancos. Rovelli e Vidotto defenderam em 2018 que minúsculos restos de buracos negros evaporados poderiam ser buracos brancos que constituem parte da matéria escura. Nenhum foi visto.

O último milésimo de segundo

Quando uma estrela colapsa num buraco negro, a sua superfície, vista de longe, arrasta-se para o horizonte, avermelha e esmorece por um fator e a cada quarto de milissegundo, para dez sóis (Ames e Thorne, 1968). Ao contrário, é um buraco branco a abrir: um disco escuro, depois um brilho vermelho ténue que se intensifica e se torna branco-azulado.

É uma solução exata, o colapso de uma bola de poeira ao contrário (Oppenheimer e Snyder, 1939). A superfície da estrela sairia da sombra, primeiro exatamente no horizonte e depois cada vez mais alto, até a sombra toda se encher de luz.

Assim, a sombra não fica negra por muito tempo: a luz que ficaria presa pode sair de um buraco branco. Cada parte deste passo está desenhada a partir das equações. Ninguém viu nada parecido.

Não pode durar

Nada pode cair num buraco branco, mas tudo o que está perto tenta. Em 1974 Eardley mostrou que a luz que caísse para um se acumularia na sua borda, ganharia energia sem limite e transformá-lo-ia num buraco negro.

O horizonte de um buraco branco só pode ser deixado, nunca atravessado no sentido contrário. Mas a matéria e a luz de fora continuam a mover-se para ele, atraídas pela sua gravidade, e não conseguem entrar. Por isso juntam-se no horizonte, como o trânsito diante de um portão fechado.

Vista da matéria que sai do buraco branco, esta multidão de retardatários é comprimida e desviada para o azul sem limite. Douglas Eardley mostrou em 1974 que mesmo a queda mais fraca leva energia bastante para fazer o buraco branco colapsar num buraco negro. Nesse mesmo ano Zel'dovich, Novikov e Starobinskii encontraram uma segunda instabilidade, de efeitos quânticos.

É por isso que não se espera um buraco branco eterno: se um se formasse, duraria pouco. A camada azul-pálida aqui desenhada representa a luz que cai; não se pode ver.

Um buraco branco que se pode construir

Pode fazer-se um buraco branco para ondas. Em 2011 Weinfurtner e colegas enviaram ondas contra uma corrente rápida num canal de água: onde a corrente as ultrapassava, elas paravam, como a luz na borda de um buraco branco.

As ondas na água viajam a uma velocidade que depende do seu comprimento. Faça a água correr mais depressa sobre uma lomba suave, e as ondas longas que sobem contra a corrente abrandam até a corrente igualar a sua velocidade. Aí não podem prosseguir: uma borda que as ondas não podem atravessar, como o horizonte de um buraco branco para a luz.

Nessa borda as ondas longas transformam-se em curtas, o análogo do que acontece à luz num buraco branco. A equipa de Silke Weinfurtner mediu-o em 2011 (Physical Review Letters) e verificou que a conversão tinha o carácter térmico previsto para a radiação de Hawking. Rousseaux e colegas tinham visto uma conversão semelhante num tanque em 2008.

Não é um buraco branco a sério: não há gravidade nem luz, só água. Mas a matemática é a mesma, e por isso estes tanques servem para testar ideias sobre buracos negros e brancos. As ondas e a corrente aqui estão desenhadas.

Foi o Big Bang um buraco branco?

Na maior escala o Big Bang parece um buraco branco: uma explosão de matéria a partir de um ponto. Alguns físicos pensam que o nosso universo é o interior de um buraco negro que ressaltou. O ressalto está desenhado.

O interior de uma bola de poeira que colapsa é um universo fechado ao contrário, como Oppenheimer e Snyder descobriram em 1939. Passe-o para a frente e a bola é um universo em expansão que parte de um ponto: um Big Bang. As duas são a mesma matemática, cada uma o espelho da outra.

Em 1972 Raj Pathria sugeriu que o nosso universo poderia ser o interior de um buraco negro num maior. Nikodem Popławski propôs em 2010 uma versão em que o spin e a torção travam o colapso dentro de cada buraco negro e o fazem ressaltar num novo universo em expansão.

São ideias, não resultados. Nada que possamos medir as distingue do Big Bang padrão, e o universo real expande-se por todo o lado ao mesmo tempo, não numa explosão a partir de um só lugar.

Alguém já viu um?

Não. Algumas ideias dizem que minúsculos buracos brancos poderiam estar a piscar agora como rajadas rápidas de rádio, ou escondidos como matéria escura, mas nenhum sinal foi ligado a um. Um buraco branco fica nas equações.

Barrau, Rovelli e Vidotto sugeriram em 2014 que um buraco negro formado no universo primitivo poderia ressaltar hoje num buraco branco e libertar uma rajada de ondas de rádio. As rajadas rápidas de rádio, lampejos de milissegundos de origem desconhecida, têm comprimentos de onda não longe do que estimaram. É um palpite sobre a sua causa, sem provas por trás.

Rovelli e Vidotto defenderam em 2018 que buracos brancos do tamanho de Planck, deixados quando minúsculos buracos negros acabam de evaporar, poderiam constituir parte da matéria escura. Tais objetos seriam pequenos demais para ver diretamente.

Assim, um buraco branco está onde começou: uma imagem no espelho nas equações, sem observação que o exija e com uma boa razão para poder não durar. Os tanques mostram que a matemática está certa; se a natureza alguma vez faz um continua em aberto.