Qual é a origem dos buracos negros e como essa questão está conectada a outro mistério, a natureza da matéria escura? A matéria escura compreende a maior parte da matéria no Universo, mas sua natureza permanece desconhecida.

Várias detecções de ondas gravitacionais de buracos negros em fusão foram identificadas nos últimos anos pelo Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory ( LIGO ), comemorado com o Prêmio Nobel de Física de 2017 para Kip Thorne, Barry Barish e Rainer Weiss. A confirmação definitiva da existência de buracos negros foi celebrada com o Prêmio Nobel de Física de 2020 concedido a Andrea Ghez, Reinhard Genzel e Roger Penrose. Compreender a origem dos buracos negros, portanto, surgiu como uma questão central na física.

Surpreendentemente, o LIGO observou recentemente um candidato a buraco negro de massa solar de 2,6 (evento GW190814, relatado em Astrophysical Journal Letters 896 (2020) 2, L44). Supondo que seja um buraco negro, e não uma estrela de nêutrons de massa incomum, de onde ele vem?

Figura 1. [Esquerda] Um minúsculo buraco negro primordial sendo capturado por uma estrela de nêutrons, subsequentemente devorando-o e deixando um remanescente de buraco negro de massa solar “transmutado” para trás. [Direita] Distribuição de massa esperada de buracos negros de massa solar “transmutados” seguindo estrelas de nêutrons formadas como resultado de uma supernova retardada ou rápida. O evento LIGO GW190814 com candidato a buraco negro de massa solar de 2,6 também é mostrado. Crédito: Takhistov et. al.

Os buracos negros de massa solar são particularmente intrigantes, uma vez que não são esperados pela astrofísica de evolução estelar convencional. Esses buracos negros podem surgir no Universo primordial (buracos negros primordiais) ou ser “transmutados” de estrelas de nêutrons existentes. Alguns buracos negros podem ter se formado no início do universo muito antes da formação das estrelas e galáxias. Esses buracos negros primordiais podem constituir parte ou toda a matéria escura. Se uma estrela de nêutrons captura um buraco negro primordial, o buraco negro consome a estrela de nêutrons por dentro, transformando-a em um buraco negro de massa solar. Este processo pode produzir uma população de buracos negros de massa solar, independentemente de quão pequenos sejam os buracos negros primordiais. Outras formas de matéria escura podem se acumular dentro de uma estrela de nêutrons, causando seu colapso final em um buraco negro de massa solar.

Um novo estudo, publicado na Physical Review Letters, avança um teste decisivo para investigar a origem dos buracos negros de massa solar. Este trabalho foi liderado pelo Instituto Kavli para a Física e Matemática do Universo (Kavli IPMU), Volodymyr Takhistov, e a equipe internacional incluiu George M. Fuller, Distinto Professor de Física e Diretor do Centro de Astrofísica e Ciências Espaciais da Universidade da Califórnia, San Diego, bem como Alexander Kusenko, Professor de Física e Astronomia na Universidade da Califórnia, Los Angeles e um Cientista Sênior Visitante Kavli IPMU.

Como o estudo discute (ver Figura 1), buracos negros de massa solar "transmutados" restantes de estrelas de nêutrons sendo devorados por matéria escura (seja minúsculos buracos negros primordiais ou acúmulo de partículas de matéria escura) deve seguir a distribuição de massa das estrelas de nêutrons hospedeiras originais. Uma vez que se espera que a distribuição da massa da estrela de nêutrons chegue a um pico em torno de 1,5 massas solares, é improvável que buracos negros de massa solar mais pesada tenham se originado de matéria escura interagindo com estrelas de nêutrons. Isso sugere que eventos como o candidato detectado pelo LIGO, se realmente constituírem buracos negros, poderiam ser de origem primordial no Universo primitivo e, assim, afetar drasticamente nossa compreensão da astronomia. Observações futuras usarão este teste para investigar e identificar a origem dos buracos negros.
 
Anteriormente (ver Fuller, Kusenko, Takhistov, Physical Review Letters 119 (2017) 6, 061101), a mesma equipe internacional de pesquisadores também demonstrou que a interrupção de estrelas de nêutrons por pequenos buracos negros primordiais pode levar a uma rica variedade de assinaturas observacionais e pode nos ajude a entender os enigmas astronômicos de longa data, como a origem de elementos pesados ??(por exemplo, ouro e urânio) e o excesso de raios gama de 511 keV observado no centro de nossa galáxia.

Referência: “Test for the Origin of Solar Mass Black Holes” by Volodymyr Takhistov, George M. Fuller and Alexander Kusenko, 16 February 2021, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.071101

Fonte: https://bit.ly/3v9SA17