A matéria escura é feita de buracos negros?

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Por Adrian Cho
Publicado na Science

Poderia a matéria escura consistir em buracos negros primordiais, tão numerosos como as estrelas? É uma antiga ideia, improvável, mas fez um retorno triunfante semelhante há um ano, quando a descoberta das ondas gravitacionais sugeriu que o cosmos está repleto de buracos negros inesperadamente massivos. Com décadas de pesquisas sem sucesso na busca por partículas de matéria escura hipotéticas, os físicos estão se voltando para formas mais radicais de explicar a massa faltante do universo.

“É uma ideia maluca”, disse Marc Kamionkowski, um teórico da Universidade Johns Hopkins em Baltimore, Maryland, cuja equipe fez o estudo de caso para o escuro buraco negro em uma reunião da Sociedade Americana de Física. “Mas cada ideia do que a matéria escura pode ser feita é uma ideia maluca.” Outros são céticos, e novos estudos adicionaram-se às dúvidas. Para a ideia realizar-se, “eu acho que você precisa de alguns milagres”, disse Daniel Holz, um teórico da Universidade de Chicago, em Illinois.

Buracos negros comuns formam-se quando estrelas individuais colapsam. Eles possuem um tamanho de cerca de 20 massas solares. E os buracos negros supermassivos que se escondem nos centros galácticos engolem bilhões de estrelas. Mas astrofísicos não sabiam como o como colapso de estrelas poderia formar buracos negros de massas intermediárias. É por isso que foi uma surpresa quando os físicos do Gravitational-Wave Observatory Laser Interferometer (LIGO) anunciaram em fevereiro de 2016 que haviam detectado ondulações no espaço oriundas da fusão violenta de dois buracos negros 29 e 36 vezes a massa de nosso sol.

Os teóricos dizem que há uma maneira de formar tais buracos negros pesados ​​antes mesmo da formação das primeiras estrelas: através do colapso direto de manchas densas no plasma efervescente de partículas que preencheram o cosmos logo após o big bang. “O espaço pode estar cheio com esses buracos negros primordiais, e o LIGO pode detectá-los”, diz Kamionkowski. “Isto é o suficiente para explicar os 85% de matéria do universo que está faltando”.

Eles também deveriam ter deixado uma marca na radiação cósmica de fundo (CMB). Os raios X da matéria girando nos buracos negros deveriam ter ionizado alguns dos primeiros átomos, que teriam alterado o aspecto manchado da CMB. Kamionkowski e colegas calculam que buracos negros entre 20 e 100 massas solares poderiam ser consistentes com as medições da CMB. Mas Massimo Ricotti, cosmólogo da Universidade de Maryland em College Park, que fez um cálculo anterior com diferentes hipóteses, acha que “seria muito difícil a matéria escura conter-se em buracos negros de 30 massas solares.”

Observações de galáxias hoje lançam uma dúvida diferente sobre a matéria escura em buracos negros, relata Timothy Brandt, astrofísico no Instituto de Estudos Avançados de Princeton, New Jersey. Os buracos negros mais pesados do que 10 massas solares devem ter, há muito tempo, se estabelecido para os centros de galáxias pequenas, produzindo estrelas com a sua gravidade, como bolas de boliche colocando os pinos para voar. Isso teria inflado as galáxias. No entanto, Brandt analisou cinco galáxias anãs fracas próximas da Via Láctea e descobriu que elas são compactas e serenas. “Isso é um argumento muito forte contra esse tipo de matéria escura”, diz ele.

Buracos negros pesados ​​também pode atrair estrelas que eventualmente passam próximas deles. Sua gravidade iria ampliar a estrela, fazendo-a iluminar temporariamente em um efeito chamado microlente gravitacional. Duas pesquisas de microlentes na década de 1990 descartaram a possibilidade de enxames de buracos negros. Mas, o tempo relativamente curto das pesquisas não foi suficiente para sondar pequenos buracos negros. Eventos de iluminação de buracos negros de até 30 massas solares se estenderiam por anos, por isso eles ainda não foram descartados, disse Ely Kovetz, cosmólogo da Universidade Johns Hopkins.

Kovetz também espera que esta confirmação possa vir com o advento de novos radiotelescópios, como a Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME) em Okanagan Falls. Desde 2007, os astrônomos acompanham flashes de ondas de rádio de milissegundos de duração chamados de rajadas de rádio rápidas (SBRF). Microlentes geradas por um buraco negro de 30 massas solares devem gerar um eco rápido, fazendo com que o buraco negro fique fácil de detectar. CHIME deve sondar milhares de SBRF em poucos ano, o suficiente para observar estes ecos relevadores.

Katelin Schutz, um teórico da Universidade da Califórnia, Berkeley, diz que os dados poderiam chegar ainda mais rápidos com os chamados pulsares de milissegundos, que emitem pulsos requintadamente regulares de ondas de rádio. Microlentes de buracos negros devem diminuir ligeiramente os pulsos, relata. Essas mudanças ocorreriam ao longo dos anos, mas os astrônomos de rádio já tem 30 anos de dados para estudar, diz ela.

A descoberta do LIGO provocou este debate, mas é improvável que este debate acabe tão cedo. Em junho passado, o consórcio informou uma segunda fusão buracos negros, mas os buracos negros envolvidos pesavam apenas 8 e 14 massas solares. E, em fevereiro de 2017, o LIGO afirmou ter encontrado dois “gatilhos” em novos dados desde novembro de 2016, o que também pode acabar sendo fusões de buracos negros. Em junho de 2017, o LIGO finalmente confirmou uma terceira detecção de fusão de buracos negros. Mas Kovetz diz que o LIGO precisaria detectar cerca de 100 buracos negros antes de um verdadeiro censo de suas massas emergir. Isso poderia levar uma década.

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Felipe Sérvulo
Graduado em Física pela UEPB. Mestre em física com ênfase em Cosmologia pela UFCG. Possui experiência na área de divulgação científica com ênfase em astronomia, astrofísica, etnoastronomia, astrobiologia, cosmologia, biologia evolutiva e história da ciência. Possui experiência na área de docência informática, física, química e matemática, com ênfase em desenvolvimento de websites e design gráfico. Artista plástico. Fundador do Projeto Mistérios do Universo, colaborador, editor, tradutor e colaborador da Sociedade Científica e do Universo Racionalista. Membro da Associação Paraibana de Astronomia. Pai, nerd, geek, colecionador, aficionado pela arte, pela astronomia e pelo Universo. Curriculum Lattes: http://lattes.cnpq.br/8938378819014229