Os físicos recriaram com sucesso parte da física extrema de um buraco negro dentro de um laboratório, construindo um dispositivo estável que pode imitar os efeitos de um movimento rotacional impossível.Esta conquista confirma uma ideia teórica sugerida há mais de meio século por Sir Roger Penrose, que propôs que a energia poderia ser extraída de buracos negros em rotação rápida. Em vez de usar peças móveis, os pesquisadores do Centro de Pesquisa Científica Avançada do CUNY Graduate Center (CUNY ASRC) usaram rotação artificial para recriar esse processo de energia cósmica em um ambiente de laboratório controlado.A descoberta, publicada na revista Nature, leva uma ideia de longa data da ficção científica à física prática. Os modelos de laboratório evitam as limitações físicas das máquinas mecânicas e podem ajudar a criar novas tecnologias em comunicações sem fio, óptica avançada e computação quântica.
quebrando os limites de velocidade do material
Em 1969, Penrose sugeriu que se uma partícula entrasse na ergosfera de um buraco negro, uma região estranha onde a rotação do buraco negro arrasta consigo o espaço e o tempo, a partícula poderia dividir-se em duas. Uma parte cairá além do ponto sem retorno, enquanto a outra parte poderá escapar com mais energia do que a partícula original.O físico Yakov Zeldovich posteriormente expandiu essa ideia, mostrando que a luz e as ondas de rádio também podem ganhar energia e se tornar mais fortes ao colidir com um objeto girando em velocidade extremamente alta.Durante décadas, os cientistas não puderam testar a ideia em laboratório utilizando movimento real porque o material sólido desmoronaria sob as forças extremas necessárias para imitar uma rotação como a de um buraco negro. Para superar este problema, a equipe CUNY ASRC criou um anel de radiofrequência completamente estável feito de metamateriais especialmente projetados.Em vez de girar fisicamente o dispositivo, os pesquisadores usaram mudanças cuidadosamente cronometradas nas propriedades elétricas dos componentes eletrônicos colocados ao redor do anel. Esse tempo controlado criou um padrão de onda em movimento que imitava a física de um objeto girando mais rápido que a velocidade da luz.“Nossa abordagem facilita um novo método de interações onda-matéria em que ondas com propriedades rotacionais selecionadas extraem energia de rotações sintéticas projetadas no tempo, criando amplificação seletiva de banda larga, “disse a pesquisadora principal Andrea Ali, Professora Einstein de Física no CUNY Graduate Center e diretor fundador da CUNY ASRC’s Photonics Initiative.
Físicos da CUNY recriam extração de energia de buraco negro em um experimento de laboratório histórico
Criação de energia através de movimento artificial
A parte principal do experimento dependia de como as ondas eletromagnéticas reagiam dentro desse ambiente artificial. Quando ondas de rádio com certas características rotacionais entram no anel estacionário, elas interagem com os padrões de mudança criados pelos pesquisadores. As ondas ganharam energia com o movimento artificial do sistema e ficaram mais fortes.“Ondas com características rotacionais apropriadas extraíram energia do sistema e foram amplificadas, reproduzindo a física essencial do processo Penrose-Zeldovich”, disse o co-autor Haddy Moussa, ex-aluno de doutorado na CUNY ASRC Photonics Initiative. “Nossa abordagem depende de metamateriais projetados para controlar a propagação de ondas.”Ao eliminar a necessidade de rotação física real, esta experiência fornece aos cientistas uma forma segura de estudar as leis naturais que normalmente ocorrem perto das bordas dos buracos negros.“Este experimento bem-sucedido avança ideias sobre dinâmica rotacional extrema da teoria para a prática e cria uma plataforma experimental versátil para explorar uma ampla gama de fenômenos na interseção da astrofísica, física das ondas e ciência quântica”, disse o autor principal Hadise Nassari, pesquisador de pós-doutorado na Iniciativa Fotônica da CUNY ASRC. “Este trabalho tem implicações para a ciência fundamental e para os avanços nas comunicações, óptica e fotônica.“
Aplicações no mundo real da física dos buracos negros
Embora a experiência ajude os astrofísicos a compreender as condições espaciais extremas, a tecnologia por trás dela também pode ter usos práticos na Terra. A capacidade de aprimorar formas de onda específicas usando rotação artificial imóvel poderia ajudar os engenheiros a criar peças mais eficientes para futuros sistemas de comunicações sem fio e tecnologia de radar.A equipe de pesquisa planeja miniaturizar a tecnologia e testar como ela funciona com dispositivos fotônicos baseados em luz e sistemas quânticos. Se for bem-sucedido, este método poderá permitir que os engenheiros controlem como a luz se move através dos chips de computador, criando potencialmente sistemas de processamento de dados mais rápidos.O projeto recebeu apoio e financiamento do Departamento de Defesa dos EUA (DOJ), da Fundação Nacional de Ciência dos EUA e da Fundação Simons. Os anéis de metamateriais exigirão mais melhorias antes que a tecnologia possa ser usada em dispositivos de comunicação comercial.
