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Física

Fluidez no espaço-tempo curvo

Estudo amplia o poder explicativo de teoria que prevê interação de matéria densa com campos gravitacionais fortes

Ilustração da fusão de duas estrelas de nêutrons, cenário em que a teoria Israel-Stewart explica a movimentação de fluido viscoso

NSF / LIGO / Sonoma State University / A. Simonnet

Em artigo a ser publicado no periódico Physical Review Letters, três físicos brasileiros provaram dois teoremas matemáticos que reforçam a chamada teoria Israel-Stewart, concebida nos anos 1970 para prever a interação de fluidos viscosos – líquidos, gases ou plasmas que apresentam resistência a seu fluxo – movendo-se a velocidades próximas à da luz e interagindo com campos gravitacionais extremamente fortes. Os cálculos feitos pelos pesquisadores demonstram a compatibilidade da teoria de Israel-Stewart com a relatividade geral de Albert Einstein (1879-1955), inclusive para situações em que o espaço-tempo é curvo e há formação de matéria ultradensa. Um exemplo é a colisão, seguida de fusão, de duas estrelas de nêutrons, corpos celestes extremamente compactos e energéticos.

“A viscosidade é uma característica universal dos fluidos que descreve sua resistência ao fluxo, como ocorre quando o mel escorre nas paredes de um recipiente. Fenômenos semelhantes também estão presentes nas fusões de estrelas de nêutrons”, explica Jorge Noronha, do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IF-USP), um dos autores do trabalho. “Embora existisse uma expectativa grande na comunidade científica de que as equações de Israel-Stewart pudessem ser usadas para estudar esse fenômeno, até a publicação do nosso trabalho ninguém sabia se elas de fato estavam corretas se fossem aplicadas nesse caso”, diz Marcelo M. Disconzi, da Universidade Vanderbilt, em Nashville, nos Estados Unidos, coautor do estudo. O terceiro nome a assinar o trabalho é Fábio S. Bemfica, da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN).

Desde os anos 1940, várias propostas para formular uma teoria de fluidos viscosos compatíveis com as ideias de Einstein foram feitas. Essas tentativas, no entanto, esbarravam sempre em um problema: violavam o princípio de causalidade, fundamental na teoria da relatividade. Há quase meio século, os físicos Werner Israel, canadense, e John Stewart (1943-2016), britânico, resolveram, aparentemente de forma parcial, o problema ao criarem uma teoria que estava em harmonia com a relatividade em certas situações. Mas as soluções propostas pareciam simplistas demais para prever consistentemente como fluidos viscosos se comportam quando a estrutura do espaço-tempo pode se dobrar e formar singularidades, regiões em que a matéria e a energia se comprimem em um único ponto. “Nossa prova matemática mostra que a teoria de Israel-Stewart é poderosa o suficiente para descrever o transporte de matéria nesse cenário extremo”, comenta Noronha.

Projeto
Física hadrônica em colisões nucleares de altas energias (nº 17/05685-2) Modalidade Projeto Temático; Pesquisador responsável Jun Takahashi (Unicamp); Investimento R$ 1.644.757,82.

Artigo científico
BEMFICA, F. S. et al. Causality of the Einstein-Israel-Stewart Theory with bulk viscosity. Physical Review Letters. No prelo.

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