Um estudo recente na Physical Review Letters explora os efeitos da matéria escura ultraleve em espirais de razão de massa extrema (EMRIs), que podem ser detectadas por futuros detectores de ondas gravitacionais baseados no espaço, como o LISA (Laser Interferometer Space Antenna).

Dadas as inúmeras formas propostas de matéria escura, os cientistas estão investigando diversas abordagens para sua detecção.

Este estudo se concentra em entender como a matéria escura ultraleve se comporta em relação a inspirais de razão de massa extrema (EMRIs). Esses sistemas consistem em um buraco negro supermassivo (SMBH) em conjunto com um corpo astronômico menor, que pode ser uma estrela ou outro buraco negro.

As ondas gravitacionais emitidas por esses sistemas à medida que o objeto estelar menor espirala em direção ao SMBH podem indicar o comportamento da matéria escura ultraleve dentro e ao redor desses sistemas.

A matéria escura ultraleve consiste em partículas de matéria escura de pequena massa, modeladas como bósons escalares, que não têm spin intrínseco. Isso cria um campo escalar, que é suavemente distribuído no espaço, semelhante a como a temperatura é uniformemente distribuída em uma sala.

Este tipo de matéria escura se apresenta em diferentes formas, como matéria escura difusa e nuvens de bósons. Essas partículas podem ser até 10, 28 vezes mais leves que um elétron.

A matéria escura difusa não se aglomera da mesma forma que as partículas tradicionais de matéria escura. Em vez disso, ela exibe um comportamento significativo semelhante a uma onda em larga escala devido à pequena massa das partículas. Em pequenas escalas, a matéria escura difusa pode influenciar o comportamento de estruturas galácticas.

Por outro lado, nuvens de bósons são encontradas ao redor de buracos negros rotativos. A nuvem de bósons aproveita a energia do buraco negro e cresce em tamanho, fazendo com que a energia se espalhe em vez de ser absorvida pelo buraco negro. Esse processo é conhecido como superradiância.

Se qualquer uma dessas formas teorizadas de matéria escura ultraleve existir em EMRIs, ela poderá alterar as ondas gravitacionais emitidas por esses sistemas.

Embora estudos anteriores tenham investigado os efeitos ambientais em EMRIs, eles se basearam inteiramente em aproximações newtonianas. No entanto, em ambientes de gravidade extrema ou ao lidar com altas velocidades (próximas à velocidade da luz), os efeitos relativísticos não podem ser ignorados.

A equipe de pesquisa, portanto, decidiu incorporar uma estrutura totalmente relativística para estudar o ambiente ao redor dos EMRIs. Seu objetivo era usar essa estrutura para estudar a energia perdida nos EMRIs devido às ondas gravitacionais do espiral e ao esgotamento do campo escalar conforme ele interage com o sistema binário.

Dr. Rodrigo Vicente, pesquisador de pós-doutorado no Instituto de Física de Altas Energias de Barcelona e coautor do estudo, explicou suas descobertas: "À medida que buracos negros menores orbitam ao redor do SMBH, eles se movem pela matéria escura e criam uma densa esteira, semelhante à esteira criada por um nadador em uma piscina. Essa esteira exerce uma atração gravitacional adicional no pequeno buraco negro chamada atrito dinâmico, desacelerando-o e alterando os sinais das ondas gravitacionais."

As densidades das nuvens de matéria escura ultraleve ao redor do SMBH podem atingir 20 vezes a do ouro, destacando o impacto significativo da matéria escura ultraleve na evolução dos EMRIs e outros sistemas semelhantes.

A mudança nos sinais das ondas gravitacionais devido à matéria escura ultraleve poderá ser detectada na Terra por detectores futuros como o LISA.

O Dr. Caio Macedo, professor da Universidade Federal do Pará e coautor do estudo, explicou: "O LISA, que deve ser lançado em 2035 pela Agência Espacial Europeia, será sensível a frequências de milihertz, permitindo que observe EMRIs com alta precisão. O LISA será capaz de rastrear esses sistemas por semanas, meses ou até anos, e então é perfeitamente adequado para observar a mudança de fase introduzida pelo atrito dinâmico, que se acumula ao longo de muitos ciclos."

Entretanto, se tais efeitos não forem observados, os dados do LISA podem ser usados para impor restrições rígidas à existência de campos ultraleves em uma ampla faixa de massas.

Além do efeito de atrito dinâmico, os pesquisadores também puderam estudar como a matéria escura difusa e as nuvens de bósons agem de maneira diferente.

Os pesquisadores descobriram que, no caso de matéria escura difusa ao redor dos SMBHs, a perda de energia devido ao esgotamento do campo escalar pode exceder aquela da emissão de ondas gravitacionais, especialmente quando o objeto menor está distante do SMBH.

A incorporação de uma estrutura relativística também revelou comportamento ressonante nas ondas gravitacionais, um efeito relativístico ausente nos modelos newtonianos.

Para nuvens de bósons, eles descobriram que a dissipação de energia via depleção escalar é altamente sensível às propriedades do ambiente circundante.

Com um modelo mais preciso de como diferentes tipos de matéria afetam as ondas gravitacionais , este estudo tem o potencial de avançar muito nossa compreensão da gravidade, apresentando um caminho vital para explorar a matéria escura.

Falando sobre trabalhos futuros, os pesquisadores mencionam a expansão de sua estrutura para levar em conta órbitas excêntricas, que são mais propensas a serem vistas em EMRIs.

Eles também planejam adaptar sua estrutura relativística para discos de núcleos galácticos ativos (AGN), que são pensados para abrigar quantidades significativas de matéria escura. Com a matéria escura sendo essencial para a formação de estruturas de larga escala, esta pesquisa pode fornecer maior clareza sobre seu papel no universo.