Cientista da NASA sugere possível ligação entre buracos negros primordiais e matéria escura

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Artigo traduzido de NASA. Autor: Francis Reddy.

A matéria escura é uma substância misteriosa que compõe a maior parte do universo material, hoje amplamente considerada algum tipo de partícula exótica massiva. Uma visão alternativa intrigante é que a matéria escura seja feita de buracos negros formados durante o primeiro segundo da existência do nosso universo, conhecidos como buracos negros primordiais. Agora um cientista da NASA Goddard Space Flight Center em Greenbelt, Maryland, sugere que esta interpretação se alinha com o nosso conhecimento do brilhos dos raios infravermelho e raios-X de fundo e pode explicar as inesperadamente elevadas massas dos buracos negros que foram detectados no ano passado durante uma fusão.

“Este estudo é um esforço para reunir um amplo conjunto de ideias e observações para testar o quão bem elas se ajustam, e o ajuste é surpreendentemente bom”, disse Alexander Kashlinsky, astrofísico da NASA Goddard. “Se estiver correto, então todas as galáxias, incluindo a nossa, estão incorporadas dentro de uma vasta esfera de buracos negros, cada um com cerca de 30 vezes a massa do Sol”.

Em 2005, Kashlinsky liderou uma equipe de astrônomos que usaram o Telescópio Espacial Spitzer da NASA para explorar o brilho de luz infravermelha de fundo em uma parte do céu. Os pesquisadores relataram uma excessivo retalhamento no brilho e concluíram que isso provavelmente era causado pelo acúmulo de luz das primeiras fontes a iluminar o universo a mais de 13 bilhões de anos atrás. Estudos de acompanhamento confirmaram que este fundo cósmico de infravermelho (CIB) mostrou uma estrutura inesperada semelhante em outras partes do céu.

Imagem superior: Esta imagem do telescópio espacial Spitzer da NASA mostra uma vista de infravermelho de uma área do céu na constelação Ursa Maior. Imagem inferior: Depois de mascarar todas as estrelas, galáxias e artefatos conhecidos e melhorar a imagem superior, aparece um brilhos de fundo irregular. Este é o fundo cósmico de infravermelho (CIB); cores mais claras indicam áreas mais brilhantes. O brilho CIB é mais irregular do que pode ser explicado por galáxias distantes ainda não identificadas, e é considerado que este excesso de estrutura seja a luz emitida quando o Universo tinha menos de um bilhão de anos de idade. Os cientistas dizem que o CIB provavelmente se originou a partir dos primeiros objetos luminosos que se formaram no Universo, incluindo as primeiras estrelas e buracos negros. Créditos: NASA / JPL-Caltech / A. Kashlinsky (Goddard).

Em 2013, outro estudo comparou o fundo cósmico de raios-X (CXB) detectado pelo Chandra X-ray Observatory da NASA com o CIB da mesma área do céu. As primeiras estrelas emitiam principalmente luz no comprimento óptico e ultravioleta, que hoje foi estendida para o infravermelho pela expansão do espaço, de modo que não deve contribuir significativamente para o CXB.

No entanto, o brilho irregular de raios-X de baixa energia no CXB combinava muito bem com o retalhamento do CIB. O único objeto que sabemos que pode ser suficientemente luminoso em toda esta vasta gama de energia é um buraco negro. A equipe de pesquisa concluiu que os buracos negros primordiais devem ter sido abundantes entre as primeiras estrelas, compondo, pelo menos, cerca de um em cada cinco fontes que contribuem para a CIB.

A natureza da matéria escura continua a ser uma das questões pendentes mais importantes da astrofísica. Os cientistas favorecem atualmente modelos teóricos que explicam a matéria escura como uma partícula exótica massiva, mas as pesquisas até agora não conseguiram encontrar provas que essas partículas hipotéticas realmente existam. A NASA está atualmente investigando esta questão como parte das missões Alpha Magnetic Spectrometer e Fermi Gamma-ray Space Telescope.

“Esses estudos estão fornecendo resultados cada vez mais sensíveis, encolhendo lentamente os lugares onde as partículas de matéria escura podem se esconder”, disse Kashlinsky. “O fracasso em encontra-las levou ao interesse em estudar o quão bem os buracos negros primordiais – buracos negros formados numa fração do primeiro segundo do universo – podem funcionar como matéria escura”.

Os físicos têm descrito várias maneiras de como o quente universo em rápida expansão pode produzir buracos negros primordiais nos primeiros milésimos de segundo após o Big Bang. Quanto mais velho o universo era quando esses mecanismos apareceram, maiores os buracos negros poderiam ser. E pelo fato deles terem tido apenas uma pequena fração do primeiro segundo de existência do Universo para serem criados, os cientistas esperam que os buracos negros primordiais apresentem um intervalo estreito de massas.

Em 14 de setembro, as ondas gravitacionais produzidas por um par de buracos negros que se fundiram a 1,3 bilhões de anos-luz de distância foram capturadas pelas instalações Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) em Hanford, Washington, e Livingston, Louisiana. Este evento marcou a primeira detecção de ondas gravitacionais, bem como a primeira detecção direta de buracos negros. O sinal forneceu aos cientistas do LIGO informações sobre as massas individuais dos buracos negros, 29 e 36 vezes a massa do Sol. Estes valores foram inesperadamente grandes e surpreendentemente similares.

“Dependendo de como o mecanismo funciona, os buracos negros primordiais podem ter propriedades muito semelhantes às dos buracos negros que o LIGO detectou”, explicou Kashlinsky. “Se assumirmos que este é o caso, que o LIGO pegou uma fusão de buracos negros formados no início do Universo, podemos olhar para as consequências que isso tem sobre a nossa compreensão de como o cosmos evoluiu”.

Em seu novo artigo, publicado dia 24 de maio no The Astrophysical Journal Letters, Kashlinsky analisa o que poderia acontecer se a matéria escura consistir de uma população de buracos negros semelhantes aos detectados pelo LIGO. Os buracos negros distorceram a distribuição de massa no início do universo, adicionando uma pequena flutuação que acarretou consequências centenas de milhões de anos mais tarde, quando as primeiras estrelas começaram a se formar.

Durante grande parte dos primeiros 500 milhões de anos do Universo, a matéria normal manteve-se demasiadamente quente para formar as primeiras estrelas. A matéria escura não foi afetada pela alta temperatura porque, seja qual for a sua natureza, ela interage principalmente por meio da gravidade. Agregados pela atração mútua, a matéria escura entrou em colapso pela primeira vez em aglomerados chamados minihaloes, o que proporcionou uma semente gravitacional permitindo o acúmulo da matéria normal. O gás quente entrou em colapso em direção aos minihaloes, resultando em bolsões de gás denso o suficiente para colapsar ainda mais por conta própria formando as primeiras estrelas. Kashlinsky mostra que, se os buracos negros desempenharem o papel de matéria escura, este processo ocorre mais rapidamente e facilmente produz a granulosidade do CIB detectada em dados do Spitzer, mesmo que apenas uma pequena fração do minihaloes tenham conseguido produzir estrelas.

À medida que o gás cósmico caiu nos minihaloes, seus buracos negros constituintes naturalmente capturaram um pouco dele também. A matéria que cai em direção ao buraco negro aquece e, finalmente, produz raios-X. Juntos, a luz infravermelha vinda das primeiras estrelas e os raios-X vindos do gás caindo em buracos negros de matéria escura, podem explicar a concordância observada entre o retalhamento do CIB e o CXB.

Ocasionalmente, alguns buracos negros primordiais irão se aproximar o suficiente para serem gravitacionalmente atraídos, formando sistemas binários. Os buracos negros em cada um desses binários vão, ao longo de eras, emitir radiação gravitacional, perder energia orbital e espiralar, em última análise, fundindo-se um buraco negro maior, como o evento observado pelo LIGO.

“Futuras observações do LIGO irão nos dizer muito mais sobre a população de buracos negros do Universo, e não vai demorar muito para sabermos se o cenário que eu esquematizei será suportado ou descartado”, disse Kashlinsky.

Kashlinsky lidera uma equipe científica centrada no Goddard, que está participando da missão Euclid da Agência Espacial Europeia, programada para lançamento em 2020. O projeto, chamado Librae, permitirá que o observatório sonde as populações de origem na CIB com alta precisão e determine qual porção do CIB foi produzida por buracos negros.

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