O último suspiro de um buraco negro primordial pode ser a fonte da “partícula fantasma” de maior energia detectada até hoje, propõe um novo estudo do MIT.

Em um artigo publicado hoje na Physical Review Letters , físicos do MIT apresentaram um forte argumento teórico de que um neutrino altamente energético observado recentemente pode ter sido o produto de um buraco negro primordial explodindo fora do nosso sistema solar.

Os neutrinos são às vezes chamados de partículas fantasmas, devido à sua natureza invisível, porém onipresente: são o tipo de partícula mais abundante no universo, mas deixam poucos vestígios. Cientistas identificaram recentemente sinais de um neutrino com a maior energia já registrada, mas a origem de uma partícula tão poderosa ainda não foi confirmada.

Os pesquisadores do MIT propõem que o misterioso neutrino pode ter vindo da explosão inevitável de um buraco negro primordial. Buracos negros primordiais (BPHs) são buracos negros hipotéticos que são versões microscópicas dos buracos negros muito mais massivos que se encontram no centro da maioria das galáxias. Teoriza-se que os BPHs tenham se formado nos primeiros momentos após o Big Bang. Alguns cientistas acreditam que os buracos negros primordiais podem constituir a maior parte ou toda a matéria escura do universo atual.

Assim como seus equivalentes mais massivos, os PBHs devem liberar energia e encolher ao longo de suas vidas, em um processo conhecido como radiação Hawking, previsto pelo físico Stephen Hawking. Quanto mais um buraco negro irradia, mais quente ele fica e mais partículas de alta energia ele libera. Este é um processo descontrolado que deve produzir uma explosão incrivelmente violenta das partículas mais energéticas pouco antes de um buraco negro evaporar.

Os físicos do MIT calculam que, se os PBHs compõem a maior parte da matéria escura do universo, então uma pequena subpopulação deles estaria passando por suas explosões finais hoje em toda a Via Láctea. E deve haver uma possibilidade estatisticamente significativa de que tal explosão tenha ocorrido relativamente perto do nosso sistema solar. A explosão teria liberado uma explosão de partículas de alta energia, incluindo neutrinos, um dos quais teria uma boa chance de atingir um detector na Terra.

Se tal cenário tivesse realmente ocorrido, a recente detecção do neutrino de altíssima energia representaria a primeira observação da radiação Hawking, que há muito se supõe, mas nunca foi observada diretamente de nenhum buraco negro. Além disso, o evento pode indicar que buracos negros primordiais existem e que constituem a maior parte da matéria escura — uma substância misteriosa que compõe 85% da matéria total do universo, cuja natureza permanece desconhecida.

“Acontece que existe um cenário em que tudo parece se encaixar, e não só podemos mostrar que a maior parte da matéria escura [nesse cenário] é composta por buracos negros primordiais, como também podemos produzir esses neutrinos de alta energia a partir de uma explosão acidental de PBH próxima”, diz a autora principal do estudo, Alexandra Klipfel, aluna de pós-graduação do Departamento de Física do MIT. “É algo que agora podemos tentar procurar e confirmar com vários experimentos.”

O outro coautor do estudo é David Kaiser, professor de física e professor Germeshausen de História da Ciência no MIT.

Em fevereiro, cientistas do Telescópio de Neutrinos do Quilômetro Cúbico, ou KM3NeT, relataram a detecção do neutrino de maior energia registrado até o momento. O KM3NeT é um detector de neutrinos subaquático de larga escala localizado no fundo do Mar Mediterrâneo, onde o ambiente foi projetado para silenciar os efeitos de quaisquer partículas que não sejam neutrinos.

Os cientistas que operaram o detector captaram assinaturas de um neutrino com energia superior a 100 peta-elétron-volts. Um peta-elétron-volt equivale à energia de 1 quatrilhão de elétron-volts.

Neutrinos de alta energia semelhantes, embora não tão altos quanto os observados pelo KM3NeT, foram detectados pelo Observatório IceCube — um detector de neutrinos embutido nas profundezas do gelo do Polo Sul. O IceCube detectou cerca de meia dúzia desses neutrinos, cujas energias excepcionalmente altas também escapam à explicação. Seja qual for a fonte, as observações do IceCube permitem aos cientistas calcular uma taxa plausível na qual neutrinos com essas energias normalmente atingem a Terra. Se essa taxa estivesse correta, no entanto, seria extremamente improvável que o neutrino de ultra-alta energia detectado recentemente pelo KM3NeT tivesse sido observado. As descobertas dos dois detectores, portanto, pareciam estar no que os cientistas chamam de "em tensão".

Kaiser e Klipfel, que trabalhavam em um projeto separado envolvendo buracos negros primordiais, se perguntaram: poderia um PBH ter produzido tanto o neutrino KM3NeT quanto o punhado de neutrinos do IceCube, sob condições nas quais os PBHs constituem a maior parte da matéria escura da galáxia? Se pudessem demonstrar que existe essa possibilidade, isso levantaria uma possibilidade ainda mais empolgante — a de que ambos os observatórios observaram não apenas neutrinos de alta energia, mas também os remanescentes da radiação Hawking.

O primeiro passo que os cientistas deram em sua análise teórica foi calcular quantas partículas seriam emitidas por um buraco negro em explosão. Todos os buracos negros deveriam irradiar lentamente ao longo do tempo. Quanto maior um buraco negro, mais frio ele é e, à medida que evapora lentamente, emite partículas de menor energia. Assim, quaisquer partículas emitidas como radiação Hawking por buracos negros de massa estelar pesada seriam quase impossíveis de detectar. Da mesma forma, porém, buracos negros primordiais muito menores seriam muito quentes e emitiriam partículas de alta energia em um processo que se acelera à medida que o buraco negro se aproxima de desaparecer completamente.

“Não temos esperança de detectar radiação Hawking em buracos negros astrofísicos”, diz Klipfel. “Então, se algum dia quisermos vê-la, os menores buracos negros primordiais são nossa melhor chance.”

Os pesquisadores calcularam o número e as energias das partículas que um buraco negro deveria emitir, considerando sua temperatura e massa em contração. Eles estimam que, em seu nanossegundo final, quando um buraco negro for menor que um átomo, ele deverá emitir uma explosão final de partículas, incluindo cerca de 10 neutrinos , ou cerca de um sextilhão de partículas, com energias de cerca de 100 peta-elétron-volts (aproximadamente a energia observada pelo KM3NeT).

Eles usaram esse resultado para calcular o número de explosões de PBH que teriam que ocorrer em uma galáxia para explicar os resultados relatados do IceCube. Eles descobriram que, em nossa região da Via Láctea, cerca de 1.000 buracos negros primordiais deveriam estar explodindo por parsec cúbico por ano. (Um parsec é uma unidade de distância equivalente a cerca de 3 anos-luz, o que equivale a mais de 10 trilhões de quilômetros.)

Eles então calcularam a distância em que uma explosão desse tipo na Via Láctea poderia ter ocorrido, de modo que apenas um punhado de neutrinos de alta energia poderia ter atingido a Terra e produzido o recente evento KM3NeT. Eles descobriram que um PBH teria que explodir relativamente perto do nosso sistema solar — a uma distância cerca de 2.000 vezes maior do que a distância entre a Terra e o nosso Sol.

As partículas emitidas por uma explosão tão próxima irradiariam em todas as direções. No entanto, a equipe descobriu que há uma pequena chance de 8% de que uma explosão ocorra perto o suficiente do sistema solar, uma vez a cada 14 anos, de modo que neutrinos de ultra-alta energia atinjam a Terra.

“Uma chance de 8% não é muito alta, mas está bem dentro da faixa em que devemos levar tais chances a sério — ainda mais porque, até agora, nenhuma outra explicação foi encontrada que possa explicar tanto os neutrinos de altíssima energia inexplicáveis quanto o evento ainda mais surpreendente dos neutrinos de ultra-alta energia”, diz Kaiser.

O cenário da equipe parece se confirmar, pelo menos em teoria. Para confirmar a ideia, serão necessárias muitas outras detecções de partículas, incluindo neutrinos em "energias insanamente altas". Assim, os cientistas poderão elaborar estatísticas mais precisas sobre esses eventos raros.

“Nesse caso, poderíamos usar toda a nossa experiência e instrumentação combinadas para tentar medir a ainda hipotética radiação Hawking”, diz Kaiser. “Isso forneceria a primeira evidência desse tipo para um dos pilares da nossa compreensão dos buracos negros — e poderia também explicar esses eventos anômalos de neutrinos de alta energia. Essa é uma perspectiva muito empolgante!”

Paralelamente, outros esforços para detectar PBHs próximos podem reforçar ainda mais a hipótese de que esses objetos incomuns compõem a maior parte ou toda a matéria escura.

Este trabalho foi apoiado, em parte, pela National Science Foundation, pelo Centro de Física Teórica do MIT – Um Instituto Leinweber e pelo Departamento de Energia dos EUA.