Quando se trata de suspeitar que buracos negros primordiais sejam matéria escura, sua desculpa pode estar prestes a desmoronar. Pequenos buracos negros, que se formaram segundos após o nascimento do universo, podem persistir por mais tempo do que o esperado, levantando novas suspeitas de que os buracos negros primordiais poderiam ser responsáveis pela matéria escura, a substância mais misteriosa do universo.
A matéria escura representa atualmente um dos problemas mais urgentes da física. Isto porque, embora represente cerca de 85% da matéria do universo, a matéria escura permanece invisível aos nossos olhos porque não interage com a luz.
Uma vez que as partículas que constituem os átomos que constituem os objetos “comuns” que podemos ver, como estrelas, planetas e os nossos próprios corpos, interagem claramente com a luz, isto levou a uma procura por partículas de matéria escura fora do modelo padrão de partículas. física. Muitos cientistas acreditam que a resposta ainda está no Modelo Padrão, no entanto, se olharmos para um primo menor dos objetos cósmicos, geralmente os vemos como extremamente massivos, até mesmo monstruosos: os buracos negros.
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Cientista do Instituto Max Planck Valentin Thos E Ana Fernández Alexandre Da Universidade de Lisboa dois investigadores participaram recentemente nestes estudos. Eles levantam a hipótese de que pequenos buracos negros que surgiram há mais de 13,8 mil milhões de anos, imediatamente após o Big Bang, e que não são maiores do que um protão, poderiam ter-se fundido em matéria escura suspeita sem necessidade de nova física.
Não só a recente mudança no pensamento sobre como os buracos negros “evaporaram” levou a uma reavaliação da viabilidade dos buracos negros primordiais como se suspeita de matéria escura, mas como a busca por partículas de matéria escura continua a deixar um branco em sua maior parte, poderia começar para… Mais pesquisadores estão analisando a teoria da matéria escura do buraco negro primordial com mais seriedade.
O que são buracos negros primordiais?
“Como o nome sugere, os buracos negros primordiais são um tipo de buraco negro que se formou no início do universo”, disse Thos ao Space.com. “Na primeira fração de segundo do universo, na verdade.”
Ele explicou que todas as estruturas que observamos no universo, desde superaglomerados de galáxias até galáxias dentro delas mesmas, são formadas por ligeiros excessos de densidade no espaço que estavam presentes durante o início do universo. Se o Universo primitivo tivesse experimentado flutuações de densidade muito mais fortes do que aquelas que criaram estas características, e estas flutuações colapsassem antes da formação efectiva das galáxias, essas manchas extremamente densas poderiam ter estimulado buracos negros primordiais.
Dependendo de quando esse colapso ocorreu, bem como do tamanho do colapso, esses buracos negros primordiais terão massas muito diferentes, acrescentou Thos. Os buracos negros primordiais considerados por Thos e Fernandez-Alexander como possíveis candidatos à matéria escura teriam massas entre algumas toneladas e mil toneladas, para ser mais preciso, o que é menos que a massa de um planeta e mais na categoria de um pequeno asteróide.
Dado que os menores buracos negros descobertos pelos cientistas até agora, conhecidos como buracos negros de massa estelar, têm massas equivalentes entre 3 e 50 vezes a massa do Sol – que por sua vez é 2,2 vezes 10 elevado à 27ª potência (22 seguido de 26 ). (Zeros) toneladas – Esses buracos negros primordiais são incrivelmente pequenos.
Tal como os seus buracos negros maiores que se formaram a partir do colapso de estrelas massivas ou da fusão de buracos negros relativamente mais pequenos, de acordo com Fernandez-Alexander, os buracos negros primordiais teriam um limite exterior de captura de luz chamado horizonte de eventos. O diâmetro deste horizonte é determinado pela massa do buraco negro, o que significa que o horizonte de eventos seria incrivelmente pequeno nesses casos. “Menor que o raio de um próton”, disse Fernandez-Alexander.
Pequenos buracos negros primordiais foram anteriormente descartados como candidatos à matéria escura porque se acredita que todos os buracos negros “vazam” um tipo de radiação térmica que foi levantada pela primeira vez por Stephen Hawking em 1974 e mais tarde chamada de “radiação Hawking”.
Quanto menor o buraco negro, mais rápido a radiação Hawking pode escapar e, portanto, mais rápido ela deve evaporar. Isto significa que, se os buracos negros primordiais existissem, os menores exemplos não deveriam existir hoje, mas a matéria escura claramente existe.
“Os buracos negros primordiais com as massas que Anna e eu estamos estudando agora eram anteriormente considerados improváveis porque se presumia que já teriam evaporado completamente nesta época do universo”, disse Thos.
No entanto, um trabalho recente de György Dvali, físico teórico da Universidade de Munique que colaborou com Thos e Fernandez-Alexander, sugeriu que o processo de evaporação é interrompido em algum momento. Isto significa que os buracos negros primordiais com as massas consideradas pelos cientistas poderiam atingir um estado quase estacionário.
“Para reduzir a sua massa através da emissão de radiação Hawking, o buraco negro tem de reescrever a sua informação, ou algo mais. E este processo de reescrita leva tempo,” explicou Fernandez-Alexander. “Isso é chamado de 'carga de memória' porque essa memória agora precisa passar para outra coisa, e isso retarda o processo geral de evaporação. Portanto, é uma espécie de estabilização.”
Este “mecanismo de resgate” significa que os buracos negros primordiais estão de volta como potenciais candidatos à matéria escura!
Uma cópia morta da matéria escura?
No entanto, o facto de existirem hoje buracos negros primordiais no Universo não significa imediatamente que devam ser considerados suspeitos de matéria escura. Na verdade, existem outras razões para ligar estes pequenos buracos negros hipotéticos ao misterioso conteúdo de matéria do universo.
Talvez a ligação mais óbvia seja que a matéria escura não interage com a luz. A matéria escura não emite nem reflete luz, e o horizonte de eventos que circunda todos os buracos negros marca o ponto em que a velocidade de escape necessária para cruzar excede a velocidade da luz. Isto significa que os buracos negros primordiais “aprisionariam” toda a luz incidente, resultando numa aparente falta de interações.
“Se forem suficientemente leves, então algures em torno da massa planetária, os buracos negros primordiais comportam-se como partículas de matéria escura para todos os fins que nos interessam”, disse Thos. “A matéria escura é ‘sem colisão’ nos modelos padrão, então as partículas de matéria escura não interagem umas com as outras a ponto de afetarem o universo.”
Ele acrescentou que se os buracos negros primordiais fossem mais leves que as massas planetárias, seriam, mesmo em escalas de tempo cósmicas, tão pequenos que raramente colidiriam. Esses buracos negros primordiais poderiam se combinar para criar os efeitos gravitacionais que atualmente atribuímos à matéria escura, como fornecer uma influência gravitacional que evita que galáxias em rotação rápida sejam destruídas.
No entanto, se os buracos negros primordiais tivessem de se agregar para dar conta dos efeitos da matéria escura, o que impediria estes buracos negros de se reunirem e se fundirem para formar buracos negros maiores? Um monte de pequenos buracos negros não se tornaria apenas um buraco negro supermassivo? Isto foi investigado e a resposta é simplesmente: “Não”, disse Thos.
“Mesmo se você levar em conta a aglomeração, as escalas de tempo de fusão são tão longas que elas só se fundiriam em buracos negros muito massivos durante toda a vida do universo”, continuou ele.
Thos acrescentou que a beleza de usar buracos negros primordiais como explicação para a matéria escura é que, ao contrário de propor uma partícula hipotética como o eixo para explicar o quebra-cabeça, os buracos negros primordiais não requerem uma extensão do modelo padrão da física de partículas. Nossa melhor explicação do universo está em escalas subatômicas.
No entanto, seria muito difícil confirmar os buracos negros primordiais como matéria escura, se eles de facto explicassem este fenómeno. Mais uma vez, a sua natureza de captação de luz significa que são efetivamente invisíveis. Além disso, em tamanhos tão pequenos, eles não têm os mesmos efeitos gravitacionais massivos que seus irmãos estelares e supermassivos.
Mesmo assim, se um grupo de buracos negros primordiais fosse descoberto, não haveria uma maneira real de saber a diferença entre muitos buracos negros pequenos e um buraco negro grande.
Apesar desta dificuldade, Thos e Fernandez-Alexander pretendem permanecer na cauda dos buracos negros primordiais – pelo menos em teoria. Se as partículas candidatas à matéria escura continuarem a não surgir, talvez a resposta seja levar mais físicos a começarem a olhar para a barreira metafórica entre a física de partículas e a cosmologia.
“Não posso dizer que os buracos negros primordiais tenham sido excluídos como candidatos à matéria escura, mas foram ignorados durante algum tempo”, disse Fernandez-Alexander. “Agora, como não temos realmente qualquer detecção de partículas de matéria escura, acho que está se tornando cada vez mais apropriado considerar esta opção.”