Buracos negros giratórios poderiam produzir nuvens de partículas de matéria escura

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Um buraco negro giratório (branco) deve produzir enormes nuvens de partículas chamadas áxions (azul), que então produzem ondas gravitacionais detectáveis, um novo cálculo prevê.

Artigo traduzido de Science. Autor: Adrian Cho.

Poucas coisas são mais fascinantes do que buracos negros, ondas gravitacionais e partículas hipotéticas quase sem massa chamados áxions, que poderia ser a misteriosa matéria escura cuja gravidade mantém galáxias juntas. Agora, uma equipe de físicos teóricos ligou os três juntos de uma maneira surpreendente. Se o áxion existir e tiver a massa correta, argumentam, então um buraco negro giratório deve produzir uma vasta nuvem de partículas, que, por sua vez, produzirão ondas gravitacionais semelhantes às descobertas há um ano pelo Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Se a ideia estiver correta, o LIGO pode ser capaz de detectar áxions, embora indiretamente.

“É uma ideia incrível”, diz Tracy Slatyer, astrofísica de partículas do Massachusetts Institute of Technology (MIT) em Cambridge, que não estava envolvida no trabalho. “Os dados [o LIGO] estão lá, e seria surpreendente se víssemos algo”. Benjamin Safdi, físico de partículas teórico no MIT, também está entusiasmado. “Esta é realmente a melhor ideia que temos para procurar partículas nesta faixa de massa”, diz ele.

Um buraco negro é o intenso campo gravitacional deixado para trás quando uma estrela massiva colapsa. Dentro de uma certa distância desse ponto – que define o “horizonte de eventos” do buraco negro – a gravidade é tão forte que nem a luz pode escapar. Em setembro de 2015, o LIGO detectou uma explosão de ondulações no espaço chamadas ondas gravitacionais que emanaram da fusão de dois buracos negros.

O áxion – se existir – é uma partícula não carregada, talvez com um bilionésimo da massa do elétron ou até menos. Sonhado na década de 1970, ele ajuda a explicar uma curiosa simetria matemática na teoria das partículas chamadas quarks e glúons, que compõem prótons e nêutrons. Os áxions também podem ser a matéria escura, que corresponde a 85% de toda a matéria no universo. Os físicos de partículas estão buscando áxions em experimentos que tentam convertê-los em fótons usando campos magnéticos.

Mas pode ser possível detectar áxions estudando buracos negros com o LIGO e seus detectores gêmeos nos estados de Louisiana e Washington, argumentam Asimina Arvanitaki e Masha Baryakhtar, teóricas do Instituto Perimeter de Física Teórica em Waterloo, Canadá, e seus colegas.

Se sua massa estiver na faixa correta, então um áxion preso em órbita em torno de um buraco negro deve estar sujeito a um processo chamado superradiação que ocorre em muitas situações e faz com que os fótons se multipliquem em um determinado tipo de laser. Se um áxion estiver perto, mas não cruzar, o horizonte de um evento de buraco negro, então o spin do buraco negro dará ao axion um impulso energético. Pelo áxion ser uma partícula quântica com algumas propriedades como as do fóton, esse impulso criará mais áxions, que, por sua vez, interagirão com o buraco negro da mesma maneira. O processo deve assim gerar um grande número de partículas.

Mas para que isso ocorra, uma condição-chave precisa ser cumprida. Uma partícula quântica como o áxion também pode agir como uma onda, com partículas mais leves com comprimentos de onda mais longos. Para a superradiação funcionar, o comprimento de onda do áxion deve ser tão longo quanto o buraco negro é largo. Assim, a massa do áxion deve ser extremamente leve: entre 1/10.000.000 e 1/10.000 a gama sondada em experimentos de laboratório atual. Os áxions não iriam apenas emergir de maneira bem-intencionada, mas se aglomerariam em enormes ondas quânticas como os as órbitas dos elétrons em um átomo. Por mais fantástico que pareça, a física básica da superradiação está bem estabelecida, diz Safdi.

A nuvem de áxion pode revelar-se de várias maneiras, diz Baryakhtar. Os áxions mais promissores que colidem na nuvem devem aniquilar-se uns aos outros para produzir grávitons, as partículas pensadas para formar ondas gravitacionais assim como os fótons compõem a luz. Emergindo de nuvens quânticas ordenadas, os grávitons formarão ondas contínuas com uma frequência ajustada pela massa do áxion. O LIGO seria capaz de detectar milhares de tais fontes por ano, estimam Baryakhtar e colegas em um artigo publicado em 8 de fevereiro no Physical Review D – embora rastrear esses sinais contínuos pode ser mais difícil do que detectar ondas de buracos negros colidindo. Encontrar múltiplas fontes da mesma frequência seria uma indicação de áxions, Slatyer diz.

As nuvens de áxion poderiam produzir sinais indiretos, também. Em princípio, um buraco negro pode girar a uma velocidade próxima da luz. No entanto, gerar áxions enfraqueceria o momento angular do buraco negro e o deixaria mais lento. Como resultado, o LIGO deve observar que as rotações de buracos negros colidindo nunca alcançam essa velocidade final, mas ficam bem abaixo dela, diz Baryakhtar. Detectar esse limite na rotação seria desafiador, porque o LIGO pode medir a rotação de buracos negros em colisão com somente 25% de precisão.

Safdi adverte que a análise pressupõe que o LIGO vai ver muitas fusões de buracos negros e vai funcionar como esperado. E se o LIGO não detectar os sinais, isso não descartaria o áxion, diz ele. Ainda assim, ele diz: “Este é provavelmente o artigo mais promissor que eu vi até agora sobre uma nova física que poderíamos encontrar com as ondas gravitacionais”.

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