Estrelas mortas não emitem radiação

• Um artigo recente afirma que toda matéria pesada emite radiação Hawking e que até estrelas mortas acabam desaparecendo
• Essa afirmação implica violação da conservação bariônica e entra em conflito com a teoria existente
• Especialistas criticam os cálculos do artigo como imprecisos e afirmam que, na prática, o campo gravitacional de uma massa estática não cria pares partícula-antipartícula
• Há décadas, Ashtekar e Magnon já provaram rigorosamente que o vácuo em espaço-tempo estático é estável
• Embora notícias exageradas tenham se espalhado a partir de reportagens recentes equivocadas, os princípios físicos estabelecidos continuam os mesmos

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A alegação de radiação Hawking em estrelas mortas

Em um artigo recente, os três pesquisadores Michael F. Wondrak, Walter D. van Suijlekom e Heino Falcke afirmam que não apenas buracos negros, mas toda matéria pesada emite radiação Hawking

• Eles afirmam que até estrelas mortas e frias emitiriam radiação Hawking, perderiam massa lentamente e acabariam deixando de existir
• Segundo essa afirmação, menciona-se a possibilidade de que o fim do universo aconteça muito antes do que se estimava anteriormente

Essa teoria viola a lei de conservação bariônica já estabelecida

• Não há uma explicação clara para o mecanismo de aniquilação de prótons e nêutrons que compõem as estrelas
• Os autores apenas afirmam que o campo gravitacional da estrela cria pares partícula-antipartícula e, assim, ela perde massa

Reação dos especialistas

Se os especialistas considerassem essa afirmação válida, isso representaria um acontecimento revolucionário no campo da gravidade quântica

• Até agora, o entendimento aceito era que matéria em repouso não emite radiação Hawking
• Se a teoria estivesse correta, a teoria quântica de campos em espaço-tempo curvo implicaria inevitavelmente a quebra da conservação do número bariônico, o que seria um grande choque para a física

Mas, na prática, esses artigos quase não tiveram impacto na comunidade da física

• Artigos de Antonio Ferreiro, José Navarro-Salas, Silvia Pla e outros apontam que o método de aproximação simplificado usado por eles produz erros graves
• E. T. Akhmedov e outros também levantaram críticas semelhantes

Os verdadeiros especialistas já sabiam desde antes de 1975 que o campo gravitacional de uma massa estática não induz a criação de pares partícula-antipartícula

Cobertura da imprensa e mal-entendidos do público

O artigo submetido por Wondrak e colegas passou por revisão formal, mas não foi de fato validado por especialistas da área

• Estar publicado em um periódico famoso de física não significa automaticamente que seja confiável
• As reportagens sobre essa afirmação não verificaram adequadamente os fatos e fizeram uma cobertura sensacionalista

Exemplos de matérias representativas

• CBS News: “O universo vai desaparecer muito mais rápido do que se pensava”
• Space.com, Forbes e vários outros veículos destacaram o tema e ampliaram a confusão pública
• Informações falsas se espalham rapidamente, tornando difícil que os fatos corretos cheguem ao público

Base teórica rigorosa

Na realidade, Ashtekar e Magnon (1975) estudaram com rigor a teoria quântica de campos em espaço-tempo curvo

• Eles provaram que, em um espaço-tempo estático, se existir em toda parte uma simetria do espaço-tempo (timelike Killing field), então o estado de vácuo é estável
• Nessa condição, não ocorre geração natural (criação espontânea) de pares partícula-antipartícula

Esses pontos também são tratados em detalhe no livro-texto de Robert Wald

• O livro explica a definição do conceito de energia em espaço-tempo curvo, a estabilidade do vácuo e métodos rigorosos para distinguir partículas e antipartículas
• A solução de Schwarzschild (isto é, um buraco negro estático) também tem um Killing field, mas na região do horizonte de eventos as propriedades mudam, de modo que esse resultado não se aplica diretamente

De acordo com os trabalhos de Ashtekar, Magnon e Wald, consolidou-se o entendimento de que o campo gravitacional de corpos celestes estáticos não explica fenômenos de criação de partículas

Conclusão e situação atual

• Há décadas está estabelecido que o campo gravitacional estático de estrelas ou da matéria não induz radiação Hawking nem criação de pares de partículas
• O método de cálculo aproximado apresentado no artigo recente entra em conflito com isso, e seus erros já foram apontados em vários lugares
• Essa questão não exige uma longa discussão, porque decorre de falhas no método de aproximação
• Trata-se de um problema já resolvido há mais de 50 anos, então é difícil tratá-lo como um resultado novo
• O artigo recente abre espaço para exageros e mal-entendidos por não acompanhar a profundidade da teoria já existente

Referências

• Abhay Ashtekar, Anne Magnon: Quantum fields in curved space-times (1975)
• Robert Wald: Quantum Field Theory in Curved Spacetime and Black Hole Thermodynamics (1994)
• Tese de doutorado de Valeria Michelle Carrión Álvarez (2004), entre outros

Está claro, com base em décadas de pesquisa teórica e experimental, que estrelas mortas e outros corpos celestes estáticos não emitem radiação Hawking

[GN⁺]

Comentários do Hacker News

• A sensação de que ainda existe algo no universo que estamos deixando passar, e de que as grandes teorias que devem perdurar por bilhões de anos ainda não conseguem incluir isso

• Levanta-se a dúvida de como a Hawking radiation ocorreria nessa situação se a velocidade de escape do poço de potencial gravitacional não for maior que a velocidade da luz. Se ambos os membros do par de partículas virtuais sobreviverem e nenhum deles cruzar o horizonte de eventos, não haveria motivo para desaparecerem

  • Vale lembrar que a explicação de que “uma das partículas do par fica presa no horizonte de eventos” é apenas uma analogia simplificada da realidade para explicar a Hawking radiation. O fenômeno real seria o espalhamento de partículas (ou campos) no horizonte de eventos. O próprio Hawking enfatizava que essa imagem era apenas uma heurística e nunca deveria ser tomada ao pé da letra
  • Na prática, essa analogia é só um exemplo fictício criado para explicar o funcionamento da Hawking radiation, e não passa de uma metáfora exagerada para satisfazer jornalistas científicos

• Pergunta sobre uma forma simples de entender por que corpos massivos não emitem gravitational waves. Se um observador acelerado vê radiação térmica pelo efeito Unruh, então alguém em pé sobre um planeta, acelerado pela gravidade, veria Unruh radiation? E qual seria a relação disso com a Hawking radiation?

  • Do ponto de vista leigo, quando alguém está em pé sobre um planeta não está realmente acelerando; o chão está sustentando a pessoa, então, se ela não estiver em queda livre, não haveria aceleração real

• Menciona com humor que escreveu um comentário parecido alguns dias atrás. Alerta que o conteúdo do artigo é absurdo e que servidores de preprints às vezes recebem trabalhos que não passariam por revisão por pares. A imprensa precisa ter cuidado com isso

  • Como o artigo também saiu na PRL, faz a piada de que talvez tivesse ajudado a carreira se ele mesmo tivesse escrito algo parecido e enviado
  • Independentemente de o artigo ser ruim ou não, expressa preocupação com a atitude citada na crítica de que “se for uma matéria sobre uma descoberta chocante, o jornalista científico deve sempre pedir a um especialista para checar os fatos”, porque, seguindo essa lógica, no passado também teríamos acreditado em especialistas que defendiam que a Terra era plana ou que o Sol girava em torno da Terra

• O problema mostrado por essa controvérsia não é tanto que os autores originais fossem burros, mas sim a realidade de que o conhecimento está dividido e espalhado entre áreas acadêmicas. Se o objetivo é o avanço do conhecimento de todos, esse estado fragmentado não parece desejável. Há um problema surgindo dentro da própria academia entre áreas relacionadas

  • Questiona se a fragmentação é realmente tão grande assim. A condição de “global timelike Killing vector” que aparece no artigo é algo básico em teoria quântica de campos, e, como os autores não são totalmente alheios à área, ao menos deveriam ter mencionado isso. Não eram mal-intencionados nem burros, mas foi imprudente tirar uma conclusão tão impactante sem discutir suficientemente com especialistas
  • Na verdade, o objetivo da pesquisa é publicar artigos da forma mais ampla e aberta possível, então talvez não seja uma fragmentação real do conhecimento. Mas a maioria dos pesquisadores tende a guardar seus resultados a sete chaves até a divulgação pública do preprint, e assim ninguém consegue avisá-los de que já existe um problema fatal no trabalho. No fim, há limites humanos: networking entre inúmeros pesquisadores, excesso de input e de feedback. Dá para impedir que esse tipo de press release promocional chegue à imprensa sem checagem, mas isso não resolve o problema de fundo
  • Por outro lado, os autores do artigo e os jornalistas de ciência para o grande público muitas vezes não sabem onde está o erro nem entendem por que uma alegação ousada não faz sentido. É um problema crônico, e por isso a discussão continua sem se encerrar mesmo depois de dois anos
  • O verdadeiro problema, mais do que conhecimento dividido, é a psicologia do público, que gosta da disseminação e do debate de histórias sensacionalistas. Como as objeções dos especialistas estragam a diversão, muita gente simplesmente não quer ouvi-las. Havia comentários refutando o artigo no HN, mas muita gente os ignorou porque preferia a distração
  • O conteúdo do artigo não existe por causa de “conhecimento fragmentado”, já que tudo está aberto no arXiv. O problema é que qualquer um pode errar facilmente fora da própria especialidade. A essência da ciência é justamente permitir que muitas pessoas revisem, e o fato de a conclusão emergir depois da controvérsia é um exemplo de o sistema funcionando bem. Ainda assim, falta um mecanismo para filtrar novas ideias antes que virem matéria de jornal

• Sobre a afirmação de que “seria realmente chocante se a conservação do número bariônico fosse quebrada”, a resposta é que isso talvez seja justamente uma consequência lógica discutida há muito tempo em Hawking radiation; no passado isso foi recebido como algo chocante, mas hoje já parece quase natural. O cálculo dos autores pode até ter problemas, mas algumas frases do post do blog, apresentadas como se fossem verdades óbvias, acabam reduzindo sua credibilidade. Com citações da Wikipédia e de Daniel Harlow, do MIT, explica-se que a possível incompatibilidade entre evaporação de buracos negros e conservação do número bariônico já é algo bem conhecido

  • Em vez de escrita emocional, seria melhor uma crítica limpa com fórmulas e lógica, como a avaliação técnica do artigo da PRL citada por John Carlos Baez. Esse texto explica em nível de especialista que as fórmulas do artigo não são corretas no limite de campo fraco e que não tratam adequadamente os casos de criação de pares eletromagnéticos/gravitacionais
  • Já há muitos artigos e livros-texto relevantes linkados, e John Baez é alguém em quem se pode confiar por sua expertise. O ponto central da controvérsia é que a alegação realmente chocante seria dizer que a não conservação do número bariônico pode ocorrer mesmo sem buracos negros
  • Experimentos que tentam medir violações da lei de conservação do número bariônico estão sendo feitos na Terra sem buracos negros, e até agora nada foi detectado, o que demonstra que a meia-vida do próton é de pelo menos 2.4E34 anos. Menciona também uma reportagem da Quantamagazine sobre esses experimentos e uma discussão no HN
  • Observa que, mesmo dentro do modelo padrão, já existe não conservacão do número bariônico em nível não perturbativo
  • Sobre a incompatibilidade entre evaporação de buracos negros e conservação do número bariônico, enfatiza que na verdade existem modelos de buraco negro em que esses números quânticos podem ser conservados. Critica como equivocado repetir, como Penrose faz, pressupostos não físicos como espaço-tempo infinito. Na divulgação científica, costuma-se afirmar ao mesmo tempo que “nada acontece no horizonte de eventos do buraco negro” e que “um observador externo nunca verá a vítima cair no buraco negro”, mas dois observadores no mesmo universo não podem discordar assim sobre eventos físicos. A interpretação logicamente consistente seria a de que ninguém jamais cruza o horizonte de eventos e todos os números quânticos são preservados. Defende um modelo coerente sob a perspectiva de todos os observadores, incluindo a aceleração da evaporação do buraco negro

• Chama atenção para a hipótese, no artigo de 1975 de Ashtekar e Magnon, de que “o espaço-tempo é globalmente hiperbólico”. Pergunta se hoje em dia não seria mais comum assumir que o espaço-tempo é globalmente plano

  • “Globalmente hiperbólico” se refere à estrutura causal do espaço-tempo; ver a Wikipédia
  • Curvatura do espaço-tempo e curvatura do espaço são coisas diferentes, e mesmo que a seção tridimensional seja plana, o espaço-tempo como um todo ainda pode ser hiperbólico. A relatividade geral não fixa a curvatura espacial global, então até agora não há evidência especial nesse sentido

• Compartilha a experiência de já ter visto casos em que um cálculo simplificado foi tratado como se fosse a realidade e usado para propor uma máquina de movimento perpétuo

• Tanto o problema clássico quanto sua forma atual já foram compreendidos, mas agora a questão importante é o que pode ser feito. A ciência não deveria ser um campo de desinformação, mas no momento faltam mecanismos de defesa. Há gente sendo paga para espalhar falsidades, enquanto não existe recompensa por apontar que algo é falso, e assim, de fora, debates científicos passam a parecer brigas políticas, corroendo a confiança nos cientistas. Considera isso um problema realmente sério

• Cita o ensinamento do renomado pesquisador Eskil Simonsson de que “estrelas mortas ainda continuam brilhando”