Tornado quântico gigante se comporta como um buraco negro em miniatura – Physics World

Uma nova plataforma experimental conhecida como vórtice quântico gigante imita certos comportamentos dos buracos negros, dando aos cientistas a oportunidade de observar de perto a física dessas estruturas astrofísicas. O vórtice aparece em hélio superfluido resfriado a temperaturas próximas do zero absoluto e, de acordo com a equipe que o criou, estudos de sua dinâmica podem oferecer dicas de como os buracos negros cosmológicos produzem seus característicos espaços-tempos rotativos e curvos.

Os buracos negros exercem enormes forças gravitacionais sobre os seus arredores, curvando a estrutura do espaço-tempo numa extensão sem precedentes entre outras estruturas que observamos no Universo. Estas forças são tão grandes que arrastam a estrutura do espaço-tempo à sua volta à medida que o buraco negro gira, criando ambientes turbulentos únicos.

Obviamente, esses efeitos dramáticos não podem ser estudados em laboratório, por isso os investigadores estão a explorar formas de criar estruturas que os imitem. Por exemplo, a gravidade e a dinâmica dos fluidos comportam-se de forma semelhante se a viscosidade do fluido for extremamente baixa, como é o caso do hélio líquido (um superfluido, o que significa que flui com pouca ou nenhuma fricção) e nuvens de átomos frios.

Fluxos de vórtice criados em um liquidificador de cozinha

Em temperaturas próximas de zero (menos de -271 °C), o hélio líquido contém pequenas estruturas giratórias conhecidas como vórtices quânticos. Normalmente, esses vórtices ficam separados, explica Patrik Svancara, um físico da University of Nottingham, Reino Unido. No entanto, no último estudo, Svancara, co-líder da equipa Silke Weinfurtnere colegas da Faculdade Londres do rei e Universidade de Newcastle conseguiu confinar dezenas de milhares desses quanta em um objeto compacto que lembra um tornado.

“A parte central da nossa configuração é uma hélice giratória que estabelece um circuito circulante contínuo de hélio superfluido, estabilizando o vórtice formado acima dela”, explicam Weinfurtner e Svancara. Esta configuração, acrescentam, foi inspirada pesquisadores no Japão, que também produziram fluxos de vórtices gigantes em um dispositivo que lembra um liquidificador de cozinha, em vez de colocar todo o aparato experimental em uma plataforma giratória.

Dos fluidos comuns aos superfluidos

Os pesquisadores começaram seus experimentos com fluidos rotativos em 2017, quando observaram a dinâmica das ondas que imitava um buraco negro numa “banheira” especialmente concebida contendo quase 2000 litros de água. “Este foi um momento inovador para a compreensão de alguns dos fenômenos bizarros que muitas vezes são desafiadores, se não impossíveis, de estudar de outra forma”, diz Weinfurtner, físico do Nottingham's Laboratório de Buraco Negro, onde o experimento foi concebido e desenvolvido. “Agora, com a nossa experiência mais sofisticada, levamos esta investigação para o próximo nível, o que poderá eventualmente levar-nos a prever como os campos quânticos se comportam em espaços-tempos curvos em torno de buracos negros astrofísicos.”

A transição de fluidos clássicos como a água para fluidos quânticos como o superfluido hélio foi essencial, explica Weinfurtner, porque a viscosidade do superfluido é muito menor. Os superfluidos também exibem propriedades mecânicas quânticas únicas, como a quantização da força do vórtice, o que significa que qualquer vórtice no hélio superfluido deve ser composto de quanta elementares chamados vórtices quânticos. “Configurar grandes vórtices como o nosso é um desafio, uma vez que os quanta individuais tendem a afastar-se uns dos outros, como Patrik mencionou”, diz Weinfurtner. Mundo da física, “mas fomos capazes de estabilizar fluxos de vórtices que acomodam dezenas de milhares de quanta em uma região compacta, [que] é um valor recorde no domínio dos fluidos quânticos”.

A nova estrutura ajudará os pesquisadores a simular a dinâmica de campos quânticos em espaços-tempos curvos e rotativos complexos, como buracos negros, e oferecerá uma alternativa aos sistemas bidimensionais ultrafrios convencionalmente usados ​​em tais estudos até agora, acrescenta ela.

“Aproveitar técnicas avançadas de controle de fluxo e métodos de detecção de alta resolução para detectar a dinâmica das ondas na superfície do superfluido nos permitiu extrair estruturas macroscópicas de fluxo e visualizar interações intrincadas de onda-vórtice”, diz ela. “Essas observações revelaram a presença de estados ligados microscópicos e fenômenos de toque semelhante a um buraco negro na superfície livre de um vórtice quântico gigante, que estamos atualmente investigando mais detalhadamente.”

Os pesquisadores planejam agora aumentar a precisão do seu método de detecção e explorar regimes nos quais a quantização da força do vórtice se torna importante. “Esta característica pode influenciar a forma como os buracos negros interagem com o seu entorno, potencialmente ensinando-nos sobre a física dos buracos negros”, diz Svancara.

O presente trabalho é detalhado em Natureza.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/giant-quantum-tornado-behaves-like-a-black-hole-in-miniature/