Buraco Negro: Físicos Comprovam em Laboratório Teoria de 50 Anos Sobre Extração de Energia

Imagine jogar uma bola contra um carrossel girando tão absurdamente rápido que ele parece estar em todos os lugares ao mesmo tempo. Se você acertar o ângulo certo, a bola pode voltar para você com mais força do que quando saiu da sua mão — como se o próprio carrossel tivesse te dado um empurrão extra de energia, de graça. Parece brincadeira de física maluca, mas é exatamente essa a ideia por trás de uma das teorias mais estranhas e fascinantes sobre buracos negros — e que, depois de mais de 50 anos, acabou de sair do papel e virar realidade num laboratório em Nova York.

A teoria pertence a Sir Roger Penrose, o físico britânico ganhador do prêmio Nobel por seus trabalhos sobre buracos negros. Ele imaginou que seria possível extrair energia de um buraco negro girando muito rápido, sem sequer tocar nele — bastaria jogar um objeto na região certa ao redor dele. Décadas depois, o físico soviético Yakov Zeldovich foi além e sugeriu que o mesmo truque funcionaria com ondas, não apenas objetos, e que essas ondas sairiam amplificadas, como um eco que volta mais alto do que o grito original.

O problema é que ninguém conseguia testar essa ideia na prática, pois ela exige rotações rápidas demais para qualquer motor real produzir. Agora, uma equipe do Advanced Science Research Center da CUNY (CUNY-ASRC), em Nova York, encontrou um jeito de contornar esse obstáculo — e provou, em laboratório, que a ideia de Penrose e Zeldovich funciona.

O sonho de Penrose: tirando energia de um buraco negro

Para entender a proeza dos pesquisadores, primeiro precisamos entender o que Penrose propôs, ainda em 1969. Ele estudava um tipo especial de buraco negro chamado buraco negro de Kerr, que gira em torno de si mesmo em velocidade extrema. Ao redor desse buraco negro existe uma região chamada ergosfera — pense nela como uma espécie de “redemoinho” de espaço-tempo, onde tudo é arrastado junto com a rotação do buraco negro, mesmo sem cair dentro dele.

Penrose imaginou que, se você jogasse um objeto dentro dessa ergosfera e ele se partisse em dois pedaços — um caindo para dentro do buraco negro e o outro sendo ejetado para fora —, o pedaço que escapasse sairia com mais energia do que o objeto tinha ao entrar. É como jogar uma moeda numa piscina com correnteza giratória violenta e, de alguma forma, uma parte dela saltar de volta para sua mão valendo o dobro. A energia extra vem da própria rotação do buraco negro, que vai sendo freada aos poucos a cada “roubo”.

Em 1971, Zeldovich deu um passo além dessa ideia, hoje batizada de processo de Penrose. Ele sugeriu que, em vez de um objeto sólido, uma onda — de luz ou de rádio — poderia fazer o mesmo truque ao interagir com um corpo girando rapidamente: ela não apenas roubaria energia, como sairia amplificada, mais forte do que entrou.

O problema: como girar algo mais rápido que a luz?

Aqui está o obstáculo que travou os físicos por décadas. Para o efeito de Zeldovich acontecer de forma perceptível, a superfície do objeto precisa girar numa velocidade próxima ou “aparentemente” superior à da luz — algo impossível com qualquer motor, hélice ou disco real. É como tentar fazer um pião de brinquedo girar na velocidade de um furacão: o material se despedaça antes de chegar perto da velocidade necessária. Por isso, gerações de físicos ficaram limitadas a fazer contas no papel, sem nunca observar o fenômeno de verdade num experimento controlado.

A solução: um anel que finge girar

A sacada da equipe liderada por Andrea Alù, professor da CUNY Graduate Center e diretor da Photonics Initiative do CUNY-ASRC, foi simples de explicar, ainda que complexa de construir: em vez de girar um objeto de verdade, eles criaram uma rotação “sintética”, só na aparência.

O dispositivo é um anel de circuitos eletrônicos — chamados ressonadores — organizados lado a lado, como as luzes de um letreiro de cinema antigo. Em vez de girar fisicamente, esses circuitos são ligados e desligados numa sequência cronometrada com precisão extrema, criando um padrão de onda que parece “correr” ao redor do anel. Para qualquer onda eletromagnética vinda de fora, o efeito é indistinguível de um objeto real girando em velocidade ultrarrápida — mesmo que nada ali tenha se movido um milímetro sequer.

É como aquelas luzes de propaganda que parecem “correr” ao redor de um letreiro luminoso: nenhuma lâmpada se move, mas o padrão de acender e apagar em sequência cria a ilusão perfeita de movimento circular. No experimento da CUNY, essa “ilusão” foi rápida o bastante para reproduzir o comportamento de uma rotação mais veloz que a luz.

Ondas que saem mais fortes do que entraram

Com o anel funcionando, a equipe disparou ondas de rádio contra o dispositivo, escolhendo o padrão de rotação de cada onda — como escolher o ângulo certo para acertar a bola no carrossel do início desta história. O resultado bateu com o que Zeldovich previu: as ondas com a “rotação certa” saíram amplificadas, carregando mais energia do que tinham ao entrar.

“Nossa abordagem viabiliza um novo método de interação entre ondas e matéria, no qual ondas com propriedades rotacionais selecionadas extraem energia de uma rotação sintética projetada no tempo”, explicou Andrea Alù. Já Hady Moussa, coautor do estudo, resumiu o feito: as ondas com as características rotacionais adequadas extraíram energia do sistema e saíram amplificadas, reproduzindo a física essencial do processo de Penrose-Zeldovich.

Por que isso importa para o futuro

Além de validar uma teoria de mais de 50 anos, a descoberta cria uma espécie de “laboratório de bolso” para estudar fenômenos que, até agora, só existiam ao redor de buracos negros reais — locais impossíveis de visitar. Segundo Hadiseh Nasari, autora principal do estudo, o experimento abre uma plataforma versátil para explorar fenômenos que cruzam astrofísica, física de ondas e ciência quântica.

Na prática, essa tecnologia pode ter aplicações bem mais próximas do nosso dia a dia: comunicações sem fio, óptica clássica e quântica, e processamento de informação usando luz. É como quando descobertas feitas para explorar o espaço acabam virando tecnologia usada em celulares — a física extrema de lá em cima pode melhorar a internet aqui embaixo.

E não se esqueça, mantenha sempre seus olhos no céu!

Perguntas frequentes

O que é o processo de Penrose?
É uma teoria proposta por Roger Penrose em 1969 que descreve como seria possível extrair energia de um buraco negro em rotação, aproveitando uma região ao redor dele chamada ergosfera, onde o espaço-tempo é arrastado pelo giro do buraco negro.

O que os físicos da CUNY fizeram de novo?
Eles não giraram nenhum objeto real. Construíram um anel de circuitos eletrônicos que, ao serem ligados e desligados numa sequência muito rápida e precisa, criam a ilusão de uma rotação ultrarrápida. Ondas de rádio que interagiram com esse anel saíram amplificadas, confirmando a previsão de Zeldovich para o processo de Penrose.

Isso significa que já é possível extrair energia de um buraco negro de verdade?
Não. O experimento reproduz a física do fenômeno em escala de laboratório, usando ondas de rádio e circuitos eletrônicos, não um buraco negro real. Mas confirma que a ideia teórica funciona.

Para que serve essa descoberta na prática?
Os pesquisadores acreditam que a técnica pode ser adaptada para aplicações em comunicações sem fio, óptica e ciência quântica, além de servir como uma plataforma de laboratório para estudar fenômenos físicos extremos que normalmente só ocorrem perto de buracos negros.

Referências

Universe Today — Researchers Prove Black Theory in a Laboratory Setting
Nature — Observation of Floquet rotational super-radiance
CUNY-ASRC — A Black Hole Theory Comes to Life in the Lab
Phys.org — Synthetic rotation brings black hole energy theory into lab, amplifying waves