O telescópio James Webb deve trazer os dados muito necessários.

A impressão de um artista sobre a matéria escura no início do universo. Crédito da imagem: Shutterstock

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Em breve poderemos testar uma das teorias mais controversas de Stephen Hawking, sugere uma nova pesquisa.

Na década de 1970, Hawking propôs que a matéria escura, a substância invisível que compõe a maior parte da matéria no cosmos, pode ser feita de buracos negros formados nos primeiros momentos do Big Bang.

Agora, três astrônomos desenvolveram uma teoria que explica não apenas a existência da matéria escura, mas também o aparecimento dos maiores buracos negros do universo. 

"O que considero pessoalmente muito empolgante nessa ideia é como ela unifica elegantemente os dois problemas realmente desafiadores em que trabalho, o de sondar a natureza da matéria escura e a formação e crescimento de buracos negros, e os resolve de uma só vez, "O co-autor do estudo Priyamvada Natarajan, astrofísico da Universidade de Yale, disse em um comunicado. Além do mais, vários novos instrumentos, incluindo o Telescópio Espacial James Webb, que acabou de ser lançado, poderiam produzir os dados necessários para finalmente avaliar o famoso conceito de Hawking. 

Buracos negros desde o início 

A matéria escura representa mais de 80% de toda a matéria do universo, mas não interage diretamente com a luz de forma alguma. Ele apenas flutua sendo massiva, afetando a gravidade dentro das galáxias.

É tentador pensar que os buracos negros podem ser responsáveis por essas coisas elusivas. Afinal, os buracos negros são notoriamente escuros, então encher uma galáxia de buracos negros poderia teoricamente explicar todas as observações da matéria escura.

Infelizmente, no universo moderno, os buracos negros se formam apenas depois que estrelas massivas morrem, e então entram em colapso sob o peso de sua própria gravidade. Portanto, fazer buracos negros requer muitas estrelas, o que requer um monte de matéria normal. Os cientistas sabem quanta matéria normal existe no universo a partir de cálculos do universo primordial, onde o primeiro hidrogênio e o hélio se formaram. E simplesmente não há matéria normal suficiente para fazer toda a matéria escura que os astrônomos tem observado.

Gigantes adormecidos 

Foi então que Hawking entrou em cena. Em 1971, ele sugeriu que os buracos negros se formaram no ambiente caótico dos primeiros momentos do Big Bang. Lá, bolsões de matéria poderiam atingir espontaneamente as densidades necessárias para fazer buracos negros, inundando o cosmos com eles muito antes que as primeiras estrelas cintilassem. Hawking sugeriu que esses buracos negros "primordiais" podem ser responsáveis pela matéria escura. Embora a ideia fosse interessante, a maioria dos astrofísicos se concentrou em encontrar uma nova partícula subatômica para explicar a matéria escura.

Além do mais, os modelos de formação de buracos negros primordiais envolviam problemas de observação. Se muitos se formaram no universo inicial, eles mudaram a imagem da radiação remanescente do universo inicial, conhecida como radiação cósmica de fundo (CMB). Isso significaria que a teoria só funcionaria quando o número e o tamanho dos buracos negros antigos eram bastante limitados, ou entraria em conflito com as medições do CMB.

A ideia foi revivida em 2015, quando o Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory encontrou seu primeiro par de buracos negros em colisão. Os dois buracos negros eram muito maiores do que o esperado e uma maneira de explicar sua grande massa era dizer que eles se formaram no início do universo, não nos corações das estrelas moribundas.  

Uma solução simples 

Na última pesquisa, Natarajan, Nico Cappelluti da Universidade de Miami e Günther Hasinger da Agência Espacial Europeia mergulharam profundamente na teoria dos buracos negros primordiais, explorando como eles podem explicar a matéria escura e possivelmente resolver outros desafios cosmológicos.

Para passar nos testes observacionais atuais, os buracos negros primordiais precisam estar dentro de uma certa faixa de massa. No novo trabalho, os pesquisadores presumiram que os buracos negros primordiais tinham uma massa de cerca de 1,4 vezes a massa do sol. Eles construíram um modelo do universo que substituiu toda a matéria escura por esses buracos negros bastante claros e, em seguida, procuraram por pistas observacionais que pudessem validar (ou descartar) o modelo.

A equipe descobriu que os buracos negros primordiais poderiam desempenhar um papel importante no universo, semeando as primeiras estrelas, as primeiras galáxias e os primeiros buracos negros supermassivos (SMBHs). As observações indicam que estrelas, galáxias e SMBHs aparecem muito rapidamente na história cosmológica, talvez rápido demais para ser explicado pelos processos de formação e crescimento que observamos no universo atual.

"Os buracos negros primordiais, se eles existem, podem muito bem ser as sementes das quais todos os buracos negros supermassivos se formam, incluindo aquele no centro da Via Láctea", disse Natarajan.

E a teoria é simples e não requer um zoológico de novas partículas para explicar a matéria escura.

"Nosso estudo mostra que sem introduzir novas partículas ou nova física, podemos resolver os mistérios da cosmologia moderna, desde a natureza da própria matéria escura até a origem dos buracos negros supermassivos", disse Cappelluti no comunicado.

Até agora, essa ideia é apenas um modelo, mas pode ser testada relativamente em breve. O Telescópio Espacial James Webb, que foi lançado no dia de Natal após anos de atrasos, foi projetado especificamente para responder a perguntas sobre a origem das estrelas e galáxias. E a próxima geração de detectores de ondas gravitacionais, especialmente o Laser Interferometer Space Antenna (LISA), que está prestes a revelar muito mais sobre os buracos negros, incluindo os primordiais, se existirem. 

Juntos, os dois observatórios devem dar aos astrônomos informações suficientes para juntar as peças da história das primeiras estrelas e, potencialmente, das origens da matéria escura.

"Foi irresistível explorar essa ideia profundamente, sabendo que ela tinha o potencial de ser validada em breve", disse Natarajan.

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Referência:

SUTTER, Paul. We may finally be able to test one of Stephen Hawking's most far-out ideas. Space, 03, jan. 2022. Disponível em: <https://www.space.com/testable-primordial-black-holes-theory>. Acesso em: 03, jan. 2022.