A busca por miniburacos negros desaparecidos deixados pelo Big Bang pode estar prestes a se intensificar.
Assim como a trajetória desses minúsculos buracos negros parece ter esfriado, uma equipe internacional de cientistas encontrou evidências na física quântica que poderiam reabrir o caso. Uma das razões pelas quais a procura dos chamados buracos negros primordiais é urgente é que eles foram propostos como potenciais candidatos à matéria escura.
A matéria escura representa 85% da massa do universo, mas não interage com a luz da mesma forma que a matéria cotidiana. Esta é a matéria dos átomos que constitui estrelas, planetas, luas e nossos corpos. No entanto, a matéria escura interage com a gravidade, e este efeito pode ocorrer impacto “Matéria comum” e luz. Perfeito para trabalho de detetive cósmico.
Se os buracos negros do Big Bang existissem, seriam muito pequenos – alguns tão pequenos quanto uma moeda de dez centavos – e, portanto, teriam massas iguais às dos asteróides ou planetas. No entanto, tal como os seus homólogos maiores, os buracos negros de massa estelar, que podem ter 10 a 100 vezes a massa do Sol, os buracos negros supermassivos, que podem ter milhões ou mesmo milhares de milhões de vezes a massa do Sol, e os mini-buracos negros. do sol . O início dos tempos será cercado por uma superfície que retém luz, chamada horizonte de eventos. O horizonte de eventos impede que os buracos negros emitam ou reflitam luz, tornando os pequenos buracos negros primordiais fortes candidatos à matéria escura. Eles podem ser pequenos o suficiente para que ninguém perceba, mas poderosos o suficiente para afetar o espaço.
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A equipe de cientistas – do Centro de Pesquisa para o Universo Primitivo (RESCEU) e do Instituto Kavli de Física e Matemática do Universo (Kavli IPMU, WPI) da Universidade de Tóquio – aplicou um quadro teórico que combina teoria clássica de campo e A própria teoria de Einstein. Teoria da relatividade e mecânica quântica para o universo primitivo. Este último explica o comportamento de partículas como elétrons e quarks e leva ao que é chamado de teoria quântica de campos (QFT).
A aplicação do QFT ao universo nascente levou a equipe a acreditar que existem muito menos buracos negros primordiais hipotéticos no universo do que muitos modelos estimam atualmente. Se fosse esse o caso, excluiria completamente a existência de buracos negros primordiais como matéria escura.
“Nós os chamamos de buracos negros primordiais, e muitos pesquisadores sentem que são fortes candidatos à matéria escura, mas teria que haver muitos deles para satisfazer esta teoria”, disse Jason Christiano, estudante de graduação na Universidade de Tóquio. Ele disse em um comunicado. “É interessante também por outras razões. Desde a recente inovação na astronomia de ondas gravitacionais, tem havido descobertas de fusões de buracos negros binários, o que poderia ser explicado se buracos negros primordiais existirem em grande número.
“Mas, apesar destas poderosas razões para a sua abundância prevista, não vimos nenhum deles diretamente, e agora temos um modelo que deverá explicar porque é que isto acontece.”
Volte ao Big Bang para procurar buracos negros primordiais
Os modelos mais favorecidos em cosmologia sugerem que o Universo começou há cerca de 13,8 mil milhões de anos, durante um período inicial de rápida inflação: o Big Bang.
Depois que as primeiras partículas apareceram no universo durante esta expansão inicial, o espaço finalmente ficou frio o suficiente para permitir que elétrons e prótons se ligassem e formassem os primeiros átomos. Foi aí que nasceu o elemento hidrogênio. Além disso, antes de ocorrer esse resfriamento, a luz não era capaz de viajar pelo universo. Isso ocorre porque os elétrons espalham fótons indefinidamente, que são partículas de luz. Assim, durante esta Idade das Trevas, o universo era essencialmente escuro.
No entanto, uma vez que os elétrons livres puderam se ligar aos prótons e parar de saltar, a luz finalmente conseguiu viajar livremente. Após este evento, denominado “última dispersão”, e durante o período seguinte conhecido como “era da reionização”, o universo tornou-se imediatamente transparente à luz. A primeira luz que brilhou através do universo nesta época ainda pode ser vista hoje como um campo de radiação predominantemente uniforme, um “fóssil” global chamado radiação cósmica de fundo em micro-ondas, ou CMB.
Enquanto isso, os átomos de hidrogênio criados formaram as primeiras estrelas, as primeiras galáxias e os primeiros aglomerados de galáxias. Certamente, algumas galáxias parecem ter mais massa do que os seus componentes visíveis podem explicar, e este excesso é atribuído apenas à matéria escura.
Embora os buracos negros de massa estelar se formem a partir do colapso e morte de estrelas massivas, e os buracos negros supermassivos cresçam a partir de fusões sucessivas de buracos negros mais pequenos, os buracos negros primordiais são anteriores às estrelas, pelo que devem ter uma origem única.
Alguns cientistas acreditam que as condições no quente e denso universo primitivo eram tais que pequenas porções de matéria poderiam colapsar sob a sua própria gravidade para dar origem a estes minúsculos buracos negros, com um horizonte de eventos não mais largo que uma moeda de dez centavos, ou talvez menor que um próton. , dependendo. Bloqueie-os.
A equipe por trás desta pesquisa já havia analisado modelos de buracos negros primordiais no universo primitivo, mas esses modelos não se enquadraram nas observações da CMB. Para corrigir isso, os cientistas aplicaram correções à principal teoria da formação de buracos negros primordiais. Correções relatadas pelo QFT.
“No início, o universo era incrivelmente pequeno, muito menor do que o tamanho de um único átomo. A inflação cósmica expandiu-se rapidamente em 25 ordens de magnitude”, disse Jun’ichi Yokoyama, diretor do Kavli IPMU e RESCEU, no comunicado. “Naquela época, as ondas que viajavam através de um espaço tão pequeno teriam amplitudes relativamente grandes, mas comprimentos de onda muito curtos.”
A equipe descobriu que essas ondas pequenas, mas poderosas, podem sofrer amplificação para se tornarem ondas muito maiores e mais longas, que é o que os astrônomos veem na atual CMB. A equipe acredita que esta amplificação é o resultado da coerência entre as primeiras ondas curtas, o que pode ser explicado usando QFT.
“Embora as ondas curtas individuais fossem relativamente impotentes, os grupos coesos teriam a capacidade de reformar ondas muito maiores do que eles próprios”, disse Yokoyama. “Este é um raro exemplo em que uma teoria de algo numa escala extrema parece explicar algo no outro extremo da escala.”
Se a teoria da equipe de que as primeiras flutuações em pequena escala no universo poderiam crescer e influenciar as flutuações em grande escala na CMB estiver correta, isso afetaria a forma como as estruturas no universo crescem. Medir as flutuações da CMB pode ajudar a restringir a magnitude das flutuações originais no universo primitivo. Isto, por sua vez, impõe restrições a fenómenos que dependem de flutuações mais curtas, como os buracos negros primordiais.
“Acredita-se amplamente que o colapso de comprimentos de onda curtos, mas poderosos, no universo primitivo foi o que levou à criação de buracos negros primordiais”, disse Christiano. “O nosso estudo sugere que deveria haver muito menos buracos negros primordiais do que seria necessário se fossem de facto fortes candidatos à matéria escura ou a eventos de ondas gravitacionais.”
Buracos negros primordiais são atualmente hipóteses confirmadas. Isto ocorre porque a natureza de retenção de luz dos buracos negros de massa estelar torna difícil ver estes objetos maiores, então imagine como seria difícil detectar um buraco negro com um horizonte de eventos do tamanho de uma moeda de dez centavos.
A chave para descobrir buracos negros primordiais pode não estar na “astronomia convencional”, mas na medição de pequenas ondulações no espaço-tempo chamadas ondas gravitacionais. Embora os atuais detectores de ondas gravitacionais não sejam sensíveis o suficiente para detectar ondulações no espaço-tempo causadas pela colisão de buracos negros primordiais, projetos futuros, como a Antena Espacial de Interferômetro Laser (LISA), levarão a detecção de ondas gravitacionais para o espaço. Isto poderá ajudar a confirmar ou rejeitar a teoria da equipa, aproximando os cientistas da confirmação se os buracos negros primordiais poderão ser responsáveis pela matéria escura.
A pesquisa da equipe foi publicada na quarta-feira (29 de maio) na revista Physical Review Letters.
