Em um novo estudo, cientistas do Canadá propuseram uma solução para o problema do parsec final das fusões de buracos negros supermassivos (SMBH) usando matéria escura autointerativa.

Quando duas galáxias se fundem, gás e poeira colidem, levando à formação de estrelas. No entanto, as estrelas em si não colidem devido às suas vastas distâncias. Os SMBHs no centro das duas galáxias também começam a se fundir.

No entanto, a fusão dos buracos negros para quando eles estão a 1 parsec (ou 30,9 trilhões de quilômetros) de distância. Esse problema é conhecido como o problema do parsec final em astronomia e astrofísica.

O estudo, publicado na Physical Review Letters (PRL) , tenta resolver esse problema e explicar o espectro de ondas gravitacionais observado em 2021 pelas colaborações do Pulsar Timing Array.

O autor do estudo, Dr. Gonzalo Alonso Alvarez, pós-doutorado na Universidade de Toronto, falando sobre a motivação por trás do trabalho da equipe, ele disse: "O que mais nos impressionou quando as colaborações do Pulsar Timing Array anunciaram evidências de um espectro de ondas gravitacionais é que havia espaço para testar novos cenários de física de partículas, especificamente autointerações de matéria escura , mesmo dentro da explicação astrofísica padrão de fusões de buracos negros supermassivos."

Quando SMBHs de duas galáxias em fusão são separadas por 1 parsec, duas coisas opostas estão em jogo.

Primeiro, objetos grandes como um SMBH causam ondulações no espaço-tempo, levando à formação de ondas gravitacionais que viajam pelo espaço-tempo. Essas ondas gravitacionais carregam energia para longe da fonte. Quando dois SMBHs se fundem, as ondas gravitacionais carregam energia para longe da fusão, fazendo com que os buracos negros espiralem para dentro mais rapidamente.

A segunda é uma força de atrito chamada atrito dinâmico. Quando objetos massivos como buracos negros viajam através de um meio (como poeira e estrelas), eles têm um rastro de fluido perturbado chamado de esteira. Por exemplo, quando um navio se move através da água, ele deixa um rastro turbulento de água atrás de si; este é seu rastro.

As partículas atraídas para o SMBH pela gravidade podem causar uma força de arrasto, que é atrito dinâmico. Esse atrito se opõe ao movimento do objeto massivo, forçando-o a desacelerar. No caso de dois SMBHs se fundindo, isso pode fazer com que parem de se mover um em direção ao outro.

"Cálculos anteriores descobriram que esse processo para quando os buracos negros estão a cerca de 1 parsec de distância um do outro, uma situação às vezes chamada de problema do parsec final", explicou o Dr. Alvarez.

É aqui que o atrito dinâmico entra em jogo. Isso pode se opor ou auxiliar na fusão dos dois SMBHs.

Os pesquisadores propõem que uma forma de matéria escura pode ser a solução para esse problema.

"Neste artigo, mostramos que incluir o efeito anteriormente negligenciado da matéria escura pode ajudar os buracos negros a superar esse parsec final de separação e fusão, emitindo assim um sinal de onda gravitacional que corresponde ao observado pelos Pulsar Timing Arrays", disse o Dr. Alvarez.

Em uma galáxia, a matéria escura está predominantemente presente no halo galático, a região que cerca a galáxia visível. Mas, ela também está presente perto do núcleo galático, onde o SMBH está presente. Portanto, a natureza da matéria escura pode desempenhar um papel crucial na fusão de SMBHs.

A matéria escura autointerativa (SIDM) é uma forma hipotética de matéria escura na qual as partículas de matéria escura interagem entre si por meio de uma nova força desconhecida.

Em galáxias que contêm SIDM, as interações entre as partículas de matéria escura podem afetar a densidade (distribuição) e a velocidade da matéria escura, levando a um canal mais eficiente de matéria e energia em direção ao SMBH, o que poderia potencialmente superar o atrito dinâmico.

Para explorar o papel do SIDM na fusão do SMBH, os pesquisadores realizaram cálculos detalhados dos perfis de densidade da matéria escura ao redor dos SMBHs para SIDM e matéria escura fria (menos interativa).

Eles também modelaram efeitos de atrito dinâmico em órbitas do SMBH, calcularam a transferência de energia entre o SMBH e a matéria escura e conduziram simulações de espectros de ondas gravitacionais em diferentes cenários de matéria escura.

Eles então compararam esses resultados com dados observacionais dos conjuntos de temporização dos pulsares.

Os pesquisadores descobriram que a seção transversal de interação das partículas de matéria escura deve estar dentro de uma faixa ótima. Uma área transversal maior, o que significa interações mais frequentes, faz com que as partículas de matéria escura interajam e se espalhem, achatando o perfil de densidade perto dos SMBHs.

Essa redução na densidade diminui o atrito dinâmico necessário para que os SMBHs se fundam.

"Por outro lado, são necessárias autointerações da matéria escura suficientemente frequentes para evitar que esse perfil seja disperso pelo movimento do buraco negro", explicou o Dr. Alvarez.

O intervalo de seção transversal ideal permite interações suficientes para influenciar o movimento dos SMBHs sem dispersar muito a matéria escura, mantendo assim atrito dinâmico suficiente para auxiliar o processo de fusão.

Os pesquisadores descobriram que esse valor está entre 2,5 e 25 cm 2 /g. Isso significa que para cada grama de matéria escura, a área efetiva sobre a qual as partículas interagem deve estar entre 2,5 e 25 centímetros quadrados.

Os pesquisadores também descobriram que a velocidade das partículas SIDM deve ser ótima. Essa velocidade é, por sua vez, influenciada pela massa desconhecida do portador de força ou mediador, o que facilita a interação entre as partículas SIDM.

Se o mediador for pesado, isso pode significar que as partículas de matéria escura só interagem significativamente quando estão se movendo lentamente em relação umas às outras. Por outro lado, se o mediador for leve, as interações podem ocorrer em velocidades mais altas.

"Curiosamente, essa dependência de velocidade é teoricamente bem motivada. É precisamente o que se descobre se a partícula que atua como portadora de força para as autointerações da matéria escura tem uma massa que é aproximadamente 1 por cento da massa da partícula de matéria escura", disse o Dr. Alvarez.

Os pesquisadores estimaram esse valor entre 300 e 600 km/s.

"Essas autointerações dependentes da velocidade deixam uma marca no espectro de ondas gravitacionais porque, quando os buracos negros estão a uma fração de parsec de distância um do outro, uma fração significativa da energia orbital é perdida para o atrito da matéria escura em vez da emissão de ondas gravitacionais, suprimindo assim relativamente o sinal da onda gravitacional em algumas frequências em comparação a outras", acrescentou o Dr. Alvarez.

O modelo dos pesquisadores de partículas SIDM previu que as ondas gravitacionais seriam mais fracas ou menos intensas em baixas frequências. Essa previsão correspondeu ao que foi observado em dados reais.

Eles também mostraram que o SIDM com uma seção transversal dependente da velocidade pode resolver o problema final do parsec e sobreviver ao processo de fusão.

Falando sobre o impacto do trabalho deles, o Dr. Alvarez disse: "Descobrimos que a evolução da órbita do buraco negro é muito sensível à microfísica da matéria escura, o que significa que podemos usar a emissão de ondas gravitacionais de binários SMBH para restringir modelos de matéria escura. Isso oferece uma nova janela para sondar a natureza da matéria escura nas regiões mais internas das galáxias que antes não eram acessíveis observacionalmente."

A equipe também está refinando seu modelo e desenvolvendo simulações numéricas para confirmar os resultados encontrados neste artigo. Essas simulações fornecerão uma melhor compreensão de como os perfis de matéria escura reagem à energia injetada pela fusão de buracos negros.