Uma ideia ainda controversa de meio século sobre objetos cósmicos densos desde o início dos tempos poderia resolver mistérios de longa data sobre o universo.

Buracos negros supermassivos, como visto na representação deste artista, são conhecidos por se esconderem no coração de quase todas as galáxias. Um novo trabalho sugere que essas feras enormes podem ter nascido no início dos tempos. Crédito: NASA / JPL-CALTECH

Um dia, há pouco mais de cinco anos, Ely Kovetz estava almoçando com seus colegas na Universidade Johns Hopkins em Baltimore, discutindo um boato torturante. Como muitos na comunidade da física, Kovetz tinha ouvido rumores sobre um possível sinal de um observatório de física dos Estados Unidos recentemente operacional. O observatório foi projetado para detectar distúrbios na estrutura do espaço-tempo, ondulações criadas por, entre outras coisas, buracos negros colidindo uns com os outros. O mais intrigante é que o sinal parecia ter sido criado por objetos enormes, muito mais pesados do que se esperava. Isso apontou para algumas possibilidades de levantar as sobrancelhas.

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“O primeiro pensamento na mente de todos foi: 'O quê? Isso não pode ser. Isso é impossível!'”, Lembra Kovetz, físico da Universidade Ben-Gurion em Israel e pesquisador visitante da Johns Hopkins. Mas então uma suspeita mais excitante começou a se insinuar. Talvez, eles pensaram, isso pudesse ser um sinal de buracos negros primordiais.

Buracos negros desde o início dos tempos! Parece o título de um filme B de ficção científica, mas frações de segundo depois que nosso universo nasceu, um enxame de buracos negros vorazes poderia ter se formado espontaneamente a partir da energia ígnea que permeia o cosmos. Apoiados pela matemática e pela teoria, mas nunca definitivamente observados, esses buracos negros primordiais são uma possibilidade que fascinou os físicos por quase meio século, ganhando ou perdendo popularidade à medida que novas observações pareciam apoiar ou excluir sua existência.

Os intrigantes sinais de 2015 do observatório dos Estados Unidos, conhecido como LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), e dezenas de outras detecções do observatório e de sua contraparte europeia, Virgo, alimentaram uma onda de interesse renovado pela ideia, com centenas de artigos publicado sobre eles apenas nos últimos cinco anos.

Os buracos negros primordiais, se existissem, seriam entidades massivas que não emitem luz, tornando-os invisíveis. Uma vez que estariam espalhados por todo o universo, eles poderiam ajudar a dar sentido a uma ampla variedade de observações estranhas que até agora desafiaram qualquer explicação. Um dos principais motivos pelos quais os pesquisadores são atraídos por esses estranhos buracos negros é que eles podem resolver um dos maiores e mais incômodos mistérios da astrofísica: a identidade da matéria escura.

Mesmo que eles não possam identificá-la, os físicos sabem que a matéria escura existe porque seus efeitos gravitacionais são vistos em todo o cosmos. Mas do que é feito, ninguém sabe. Grandes buracos negros primordiais poderiam ser a resposta há muito procurada. Esses objetos grandes e pesados também podem ter servido como âncoras em torno das quais as primeiras galáxias se aglutinaram, outro enigma que há muito resiste à explicação.

Embora o ceticismo permaneça, os verdadeiros crentes estão ansiosamente antecipando novos projetos de telescópios e pesquisas do céu que podem finalmente conduzir essas feras cativantes da esfera da especulação para o reino da realidade.

Várias galáxias colidem no famoso Bullet Cluster, deixando aglomerados de gás quente (mostrado em rosa) e uma quantidade ainda maior de matéria escura (mostrado em azul). Alguns físicos acreditam que os buracos negros primordiais podem constituir uma fração significativa da matéria escura do universo. Crédito: NASA HST / CXC / MAGELLAN

Sobre MACHOs e WIMPs

MACHOs - Objeto com halo compacto e grande massa

WIMPs - Partículas massivas de interação fraca

Buracos negros comuns surgem da morte. Quando uma grande estrela chega ao fim de sua vida, ela explode em uma supernova espetacular. O pesado núcleo da estrela, que pode pesar pelo menos algumas vezes a massa do Sol, desmorona para formar um objeto compacto que é tão denso que nem mesmo a luz consegue escapar de sua atração gravitacional. Um buraco negro nasce.

Na década de 1970, o físico luminar Stephen Hawking e seu aluno de doutorado Bernard Carr propuseram outro canal de criação possível para buracos negros. Era sabido que, logo após o big bang, o universo foi preenchido com uma espessa sopa de radiação e partículas fundamentais como quarks e glúons, os blocos de construção de prótons e nêutrons. Variações de densidade natural na sopa teriam deixado algumas regiões com mais material e outras com menos. As equações de Hawking e Carr mostraram que áreas com radiação suficiente e partículas acumuladas nelas poderiam ter entrado em colapso e formado buracos negros com uma ampla gama de tamanhos possíveis.

Essa ideia foi engavetada, mas depois posta de lado na década de 1990, quando o debate sobre o que poderia constituir a matéria escura começou a esquentar. A enigmática substância foi vista puxando gravitacionalmente estrelas e galáxias e fazendo com que girassem muito mais rápido do que o esperado. As observações sugerem que esta matéria escura invisível é tão difundida que supera a matéria que podemos ver em mais de cinco para um no cosmos.

Um campo favoreceu a explicação de que a matéria escura era feita de objetos compactos, incluindo buracos negros, com uma grande quantidade de primordiais desde o início dos tempos para ajudar a explicar a extensa quantidade de matéria escura que receberam a sigla Massive Astrophysical Compact Halo Objects (MACHOs). Cientistas rivais preferiram o prospecto conhecido como Weakly Interactive Massive Particles (WIMPs), partículas subatômicas até então não detectadas que poderiam exercer uma atração gravitacional enquanto permaneciam invisíveis.

Um objeto em forma de anel azul conhecido como Ferradura Cósmica (meio à direita) circunda uma enorme galáxia vermelha. A ferradura é criada quando a gravidade da galáxia vermelha em primeiro plano amplia e distorce a luz de uma galáxia antiga e distante atrás dela. Esses alinhamentos casuais criam um efeito de lente que pode permitir aos astrônomos localizar evidências de buracos negros primordiais vagando pelo espaço. Crédito: ESA / HUBBLE & NASA

De acordo com as leis da física, os MACHOs distorceriam o espaço-tempo em torno de si mesmos, formando regiões semelhantes a lentes que criariam distorções observáveis. À medida que a luz de estrelas distantes passa por essas lentes, os telescópios terrestres devem ver as estrelas brilharem brevemente. No entanto, quando os astrônomos procuraram por tais flashes, eles encontraram poucos casos que poderiam ser atribuídos aos MACHOs, levando a maioria dos físicos a se concentrar na ideia de que a matéria escura é feita de WIMPs.

Mas alguns pesquisadores nunca perderam completamente a esperança de algum papel para os buracos negros na matéria escura. Isso inclui Carr, agora na Queen Mary University of London, no Reino Unido, que foi coautor de um artigo recente sobre buracos negros primordiais na Annual Review of Nuclear and Particle Science. “Os buracos negros primordiais são os candidatos ideais”, diz ele. “Nós sabemos que existem buracos negros. Você não está invocando alguma partícula para a qual atualmente não temos evidências.”

Solavancos da noite

Durante as décadas seguintes, a caça aos WIMPs até agora surgiu de mãos vazias, embora não por falta de tentativa. Detectores enormes dedicados a descobrir sua existência não viram nada. E o poderoso Colisor de Hádrons, de aceleração de partículas, próximo a Genebra, não encontrou nenhuma indicação de novas entidades subatômicas inesperadas. Consequentemente, alguns pesquisadores já estavam se afastando da ideia do WIMP quando os novos sinais do LIGO foram detectados, gerando rumores e voltando a atenção para os MACHOs dos buracos negros.

Os sinais detectados pelo LIGO em 2015 foram confirmados como sinais de uma enorme colisão entre dois buracos negros, cada um pesando cerca de 30 massas solares. Os objetos eram estranhamente volumosos, tão grandes que, se tivessem sido criados por estrelas em colapso, essas estrelas teriam massas 100 vezes maiores que o nosso sol. Animais tão grandes deveriam ser bastante raros no universo, diz Kovetz, então o LIGO teve sorte com sua primeira detecção e localizou um evento muito incomum, ou há mais buracos negros gigantes do que os físicos esperariam se estrelas em colapso fossem a única origem. Depois que a descoberta foi anunciada no ano seguinte, três equipes diferentes propuseram que esses objetos não nasceram de estrelas, mas no início dos tempos, antes que as estrelas existissem.

“Quando eu escrevi este artigo... eu esperava que alguém surgisse com algum motivo pelo qual isso definitivamente não poderia ser verdade”, diz Simeon Bird, um cosmologista da Universidade da Califórnia, em Riverside, cujo artigo, em coautoria com Kovetz e outros, foi o primeiro a sair pela porta. Em vez disso, o LIGO continuou a capturar sinais adicionais de outros buracos negros nesta faixa de imensa massa, desencadeando uma excitante onda de atividade entre os físicos teóricos que ainda não diminuiu.

Se buracos negros primordiais existem, alguns pesquisadores pensam que eles podem se agrupar em conjuntos com alguns pesados ??cercados por muitos outros mais leves, como ilustrado aqui. Novos telescópios estão em busca de sinais dessas supostas coleções de buracos negros. Crédito: INGRID BOURGAULT / WIKIMEDIA COMMONS

Os novos sinais chegam em um momento em que nossa compreensão das condições escaldantes imediatamente após o big bang, quando os buracos negros primordiais teriam se formado, foi amplamente aprimorada por novos modelos teóricos. Um estudo recente de Carr e outros sugere que cerca de um milionésimo de segundo após o big bang, a expansão do espaço-tempo teria causado uma queda na temperatura e pressão que poderia ter se alinhado da maneira certa para produzir buracos negros relativamente pequenos com massas semelhante ao do sol. Pouco tempo depois, as condições mudaram para favorecer o aparecimento de buracos negros robustos com cerca de 30 massas solares.

Os modelos também sugerem que, ao longo da história cósmica, esses vários buracos negros primordiais poderiam ter se encontrado. Puxados pela gravidade, os buracos negros poderiam ter formado aglomerados, com vários objetos menores girando em torno de um buraco negro gigante central, da mesma forma que os elétrons costumam ser desenhados orbitando um núcleo atômico.

Isso poderia explicar por que os caçadores de MACHO dos anos 90 nunca viram objetos suficientes para explicar a matéria escura: eles estavam apenas procurando lentes gravitacionais criadas por tipos menores de buracos negros. As lentes de objetos menores seriam mais compactas e, à medida que flutuam pela galáxia, levariam menos de um ano para passar na frente das estrelas, fazendo com que sua luz brilhasse e depois diminuísse com relativa rapidez. Se buracos negros fossem encontrados em aglomerados, a deformação gravitacional muito maior no espaço-tempo levaria mais tempo para passar na frente de uma estrela distante, vários anos ou mesmo décadas.

Busca pela galáxia

Cerca de 15 segundos após o big bang, mais um tipo de buraco negro pode ter surgido. De acordo com os cálculos atuais, esses buracos negros pesariam um milhão de vezes a massa do Sol, grande o suficiente para explicar a origem das galáxias.

Telescópios detectaram galáxias bem desenvolvidas a grandes distâncias, o que significa que se formaram bem no início da história cósmica. É intrigante, já que as galáxias são estruturas enormes e, pelo menos em simulações de computador, levam muito tempo para se formar a partir dos redemoinhos lentos e pesados de gás e poeira encontrados em todo o cosmos. Mas esta é a melhor explicação para sua formação que os astrônomos inventaram até agora.

Os buracos negros primordiais podem fornecer um caminho mais fácil. Dado que quase todas as galáxias contêm um enorme buraco negro no centro, parece possível que esses Golias gravitacionais agiram como pontos de partida, ajudando a atrair material para as primeiras protogaláxias bem no início da história cósmica. À medida que o universo progredia, essas pequenas galáxias teriam se atraído gravitacionalmente umas pelas outras e, em seguida, colidido e se fundido nas galáxias muito maiores vistas hoje.

Carr e seus colegas começaram a considerar a possibilidade de que os buracos negros primordiais possam ser muito mais disseminados do que se suspeitava. Em teoria, as condições logo após o big bang também podem ter produzido buracos negros ainda menores, em escala planetária, com massa aproximadamente 10 vezes maior que a da Terra. Pesquisas na verdade detectaram minúsculas lentes gravitacionais flutuando pela galáxia, passando na frente das estrelas e fazendo com que sua luz pisque rapidamente. A maioria dos astrofísicos atribuiu essas lentes a grandes planetas errantes que foram ejetados de seus sistemas estelares originais. Mas nem todos concordam.

Isso inclui o físico teórico Juan García-Bellido, da Universidade Autônoma de Madrid, que afirma que as lentes são causadas por buracos negros primordiais. Co-autor do artigo recente de Carr, García-Bellido continua bastante entusiasmado com a ideia de buracos negros primordiais.

O novo observatório Vera C. Rubin, visto em construção no Chile e com início de operação previsto para o final de 2023, será usado para rastrear o céu noturno em busca de evidências de buracos negros primordiais. Crédito: RUBIN OBS / NSF / AURA

Mas outros não têm certeza de que os buracos negros são tão predominantes quanto deveriam ser para explicar a matéria escura. “Acho provavelmente improvável”, diz a cosmologista Anne Green, da Universidade de Nottingham, no Reino Unido. Um problema com a teoria é que ter um grande número de buracos negros com várias massas solares em todo o cosmos teria todos os tipos de efeitos visíveis que nunca foram detectados. Como esses objetos consomem gás e poeira, eles devem emitir grandes quantidades de ondas de rádio e raios-X que podem revelar sua presença, ela acrescenta.

Em relação à matéria escura, os modelos teóricos do universo primitivo também exigem muitos ajustes para fazê-los cuspir o número certo de buracos negros para corresponder à quantidade de matéria escura que sabemos que existe. “Acontece que é muito difícil criar modelos que façam a quantidade certa de buracos negros”, diz Green.

Mesmo alguns dos maiores fãs de buracos negros primordiais não estão mais tão otimistas sobre a perspectiva de que os tipos de buracos negros detectados pelo LIGO poderiam ser responsáveis por toda a matéria escura do universo. Se muitos desses buracos negros estivessem à espreita pelo espaço, os astrônomos teriam visto mais de seus efeitos até agora, diz Kovetz. Ele ainda pensa que eles podem contribuir de alguma forma e, de forma mais geral, que incluir mais tamanhos de buracos negros primordiais além do que o LIGO detectou pode somar o suficiente para explicar a matéria escura. E ainda, "pessoalmente, perdi um pouco da minha motivação."

A boa notícia é que novos instrumentos podem ajudar os físicos a chegar ao fundo da questão muito em breve. O LIGO e o Virgo estão atualmente sendo atualizados e agora se juntaram a um detector de ondas gravitacionais japonês chamado KAGRA. Um instrumento indiano também será ativado nos próximos anos.

As observações dessas instalações podem finalmente inclinar a balança para um lado ou para o outro. Se os observatórios localizassem um pequeno buraco negro com uma massa solar ou menos, algo impossível de criar a partir da evolução estelar, isso forneceria evidências empolgantes e definitivas de pelo menos um tipo de buraco negro primordial, tornando-os uma explicação muito mais atraente para a matéria escura e formação de galáxias.

Além de procurar por buracos negros muito pequenos, os cientistas também poderiam fechar o tratado encontrando buracos negros que se formaram antes mesmo de as estrelas existirem. Isso pode estar além da capacidade dos observatórios existentes, mas a Agência Espacial Europeia está planejando lançar uma nova e altamente sensível sonda espacial chamada Laser Interferometer Space Antenna (LISA) em 2030, que pode estar à altura da tarefa.

García-Bellido e outros planejam usar outro novo instrumento com início de operação previsto para 2023, o Observatório Vera C. Rubin, no Chile, para caçar estrelas que brilham em escalas de tempo plurianuais, que podem ser evidências de aglomerados de buracos negros à deriva entre os céus. Pelo menos alguns pesquisadores esperam que, em três ou quatro anos, possam finalmente ter uma resposta real e definitiva para a existência ou não de buracos negros primordiais.

Até então, os cientistas estarão sentados na beirada de suas poltronas, tentando manter a mente aberta sobre a matéria escura. Talvez a substância misteriosa venha a ser feita de muitas coisas, incluindo partículas exóticas e buracos negros. “O universo é confuso e contém muitas coisas”, diz Bird. “Eu meio que acredito que o universo gosta de dificultar as coisas para os físicos.”

- Este Artigo foi publicado originalmente na revista Knowable. Leia o original aqui.

Fonte: Astronomy