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Evidências de buracos negros primordiais podem estar escondidas em planetas ou mesmo em objetos cotidianos aqui na Terra
Imagine a formação de um buraco negro e você provavelmente visualizará uma estrela massiva ficando sem combustível e colapsando sobre si mesma. No entanto, as condições caóticas do universo primitivo também podem ter permitido...
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Tom Dinki - 02/12/2024
Uma ilustração de pequenos buracos negros primordiais. Na realidade, esses minúsculos buracos negros teriam dificuldade em formar os discos de acreção que os tornam visíveis aqui. Crédito: NASA
Imagine a formação de um buraco negro e você provavelmente visualizará uma estrela massiva ficando sem combustível e colapsando sobre si mesma. No entanto, as condições caóticas do universo primitivo também podem ter permitido que muitos buracos negros pequenos se formassem muito antes das primeiras estrelas.
Esses buracos negros primordiais têm sido teorizados há décadas e podem até ser matéria escura, a matéria invisível que representa 85% da massa total do universo.
Ainda assim, nenhum buraco negro primordial foi observado.
Uma nova pesquisa coliderada pela Universidade de Buffalo propõe pensar grande e pequeno para confirmar sua existência, sugerindo que suas assinaturas podem variar de muito grandes — planetoides ocos no espaço — a minúsculos — túneis microscópicos em materiais cotidianos encontrados na Terra, como rochas, metal e vidro.
Com publicação prevista para a edição de dezembro da Physics of the Dark Universe e disponível online agora, o estudo teórico postula que um buraco negro primordial preso dentro de um grande objeto rochoso no cosmos consumiria seu núcleo líquido e o deixaria oco. Alternativamente, um buraco negro primordial mais rápido pode deixar para trás túneis retos grandes o suficiente para serem visíveis por um microscópio se passar por material sólido, incluindo material aqui mesmo na Terra.
"As chances de encontrar essas assinaturas são pequenas, mas procurá-las não exigiria muitos recursos e a recompensa potencial, a primeira evidência de um buraco negro primordial, seria imensa", diz o coautor do estudo, Dejan Stojkovic, Ph.D., professor de física na Faculdade de Artes e Ciências da UB. "Temos que pensar fora da caixa porque o que foi feito para encontrar buracos negros primordiais anteriormente não funcionou."
O estudo calculou o quão grande um planetoide oco poderia ser sem entrar em colapso sobre si mesmo, e a probabilidade de um buraco negro primordial passar por um objeto na Terra. (Se você está preocupado com um buraco negro primordial passando por você, não fique. O estudo concluiu que não seria fatal.)
"Por causa dessas grandes probabilidades, nos concentramos em marcas sólidas que existem há milhares, milhões ou até bilhões de anos", diz o coautor De-Chang Dai, Ph.D., da Universidade Nacional Dong Hwa e da Universidade Case Western Reserve.
Objetos ocos não poderiam ser maiores que 1/10 da Terra
À medida que o universo se expandiu rapidamente após o Big Bang, áreas do espaço podem ter sido mais densas que seus arredores, fazendo com que elas entrassem em colapso e formassem buracos negros primordiais (PBHs).
Os PBHs teriam muito menos massa do que os buracos negros estelares formados posteriormente por estrelas moribundas, mas ainda seriam extremamente densos, como a massa de uma montanha compactada em uma área do tamanho de um átomo.
Stojkovic, que já havia proposto onde encontrar buracos de minhoca teóricos , se perguntou se um PBH já ficou preso dentro de um planeta, lua ou asteroide, durante ou após sua formação.
"Se o objeto tiver um núcleo central líquido, então um PBH capturado pode absorver o núcleo líquido, cuja densidade é maior que a densidade da camada sólida externa", diz Stojkovic.
O PBH poderia então escapar do objeto se este fosse impactado por um asteroide, deixando apenas uma casca oca.
Mas tal concha seria forte o suficiente para se sustentar, ou simplesmente entraria em colapso sob sua própria tensão? Comparando a resistência de materiais naturais como granito e ferro com a tensão superficial e a densidade superficial, os pesquisadores calcularam que tal objeto oco não poderia ter mais do que um décimo do raio da Terra, tornando-o mais provável de ser um planeta menor do que um planeta propriamente dito.
"Se for maior que isso, vai entrar em colapso", diz Stojkovic.
Esses objetos ocos podem ser detectáveis com telescópios. A massa, e portanto a densidade, podem ser determinadas estudando a órbita de um objeto.
"Se a densidade do objeto for muito baixa para seu tamanho, isso é uma boa indicação de que ele é oco", diz Stojkovic.
Objetos cotidianos podem ser detectores de buracos negros
Para objetos sem um núcleo líquido, os PBHs podem simplesmente passar e deixar para trás um túnel reto, propõe o estudo. Por exemplo, um PBH com uma massa de 10 22 gramas deixaria para trás um túnel de 0,1 mícron de espessura.
Uma grande placa de metal ou outro material poderia servir como um detector eficaz de buracos negros ao ser monitorada para detectar o aparecimento repentino desses túneis, mas Stojovic diz que você teria mais chances de procurar por túneis existentes em materiais muito antigos — desde edifícios com centenas de anos até rochas com bilhões de anos.
Ainda assim, mesmo assumindo que a matéria escura é de fato composta de PBHs, eles calcularam que a probabilidade de um PBH passar por uma rocha de um bilhão de anos é de 0,000001.
"Você tem que olhar o custo versus o benefício. Custa muito fazer isso? Não, não custa", diz Stojkovic.
Então a probabilidade de um PBH passar por você durante sua vida é pequena, para dizer o mínimo. Mesmo se passasse, você provavelmente não notaria.
Ao contrário de uma rocha, o tecido humano tem uma pequena quantidade de tensão, então um PBH não o destruiria. E embora a energia cinética de um PBH possa ser enorme, ele não pode liberar muito dela durante uma colisão porque está se movendo muito rápido.
"Se um projétil estiver se movendo através de um meio mais rápido que a velocidade do som, a estrutura molecular do meio não tem tempo para responder", diz Stojkovic. "Jogue uma pedra através de uma janela, ela provavelmente vai quebrar. Atire em uma janela com uma arma, ela provavelmente deixará apenas um buraco."
Novos quadros teóricos necessários
Estudos teóricos como esse são cruciais, diz Stojkovic, observando que muitos conceitos físicos que antes pareciam implausíveis agora são considerados prováveis.
O campo, acrescenta Stojkovic, está atualmente enfrentando alguns problemas sérios, a matéria escura entre eles. Suas últimas grandes revoluções — mecânica quântica e relatividade geral — têm um século.
"As pessoas mais inteligentes do planeta têm trabalhado nesses problemas por 80 anos e ainda não os resolveram", ele diz. "Não precisamos de uma extensão direta dos modelos existentes. Provavelmente precisamos de uma estrutura completamente nova."
Mais informações: De-Chang Dai et al, Procurando por pequenos buracos negros primordiais em planetas, asteroides e aqui na Terra, Física do Universo Escuro (2024). DOI: 10.1016/j.dark.2024.101662
