Acredita-se que a matéria escura constitua a maior parte da matéria do universo, mas a única forma de interação com o ambiente ao seu redor é por meio da gravidade. Se dois buracos negros colidirem e espiralarem através de uma região densa de matéria escura, fundindo-se, ondas gravitacionais que se propagam pelo espaço e tempo poderão carregar consigo uma marca dessa matéria escura.

Agora, os físicos podem ser capazes de detectar essas marcas da matéria escura em ondas gravitacionais detectadas na Terra. 

Pesquisadores do MIT e da Europa desenvolveram um método que prevê a aparência de uma onda gravitacional produzida por buracos negros que se movem através da matéria escura, em vez do espaço vazio. Eles aplicaram a técnica a dados de ondas gravitacionais disponíveis publicamente, previamente registrados pelo LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), a rede global de observatórios que detecta ondas gravitacionais provenientes da fusão de buracos negros e outras fontes astrofísicas distantes.

Os pesquisadores analisaram os sinais de ondas gravitacionais registrados durante as três primeiras campanhas de observação do LVK. A partir de 28 dos sinais mais nítidos, a equipe descobriu que 27 se originaram de buracos negros que se fundiram no vácuo, como os físicos previam. Mas o padrão de um sinal, o GW190728, mostrou possíveis indícios de uma marca de matéria escura. 

Os cientistas enfatizam que não detectaram matéria escura. Em vez disso, o novo método oferece uma nova maneira de analisar dados de ondas gravitacionais em busca de indícios de matéria escura, que os físicos podem então investigar e confirmar com outras técnicas. 

“Sabemos que a matéria escura está ao nosso redor. Ela só precisa ser densa o suficiente para que possamos ver seus efeitos”, diz Josu Aurrekoetxea, pós-doutorando no Departamento de Física do MIT. “Buracos negros fornecem um mecanismo para aumentar essa densidade, que agora podemos procurar analisando as ondas gravitacionais emitidas quando eles se fundem.”

Aurrekoetxea e seus colegas relatam seus resultados em um estudo publicado hoje no periódico Physical Review Letters . Os coautores do estudo são Soumen Roy, membro do LVK e professor da Universidade Católica de Louvain (UCLouvain), na Bélgica; Rodrigo Vicente, da Universidade de Amsterdã; Katy Clough, da Queen Mary University of London; e Pedro Ferreira, da Universidade de Oxford. 

A matéria escura é uma forma invisível e hipotética de matéria que, ao contrário da matéria comum do dia a dia, não interage com a força eletromagnética. A matéria escura pode atravessar a luz, campos magnéticos e qualquer outra forma de energia ao longo do espectro eletromagnético sem deixar vestígios. A única evidência da existência da matéria escura reside em sua aparente interação com outra força: a gravidade. 

Ao observar como a gravidade se curva ao redor de galáxias distantes, os astrônomos conjecturaram que deve haver uma força extra, além da própria atração gravitacional das galáxias, para explicar os campos de curvatura, ou "lentes gravitacionais". Essa força extra, suspeitam os físicos, é a matéria escura, que poderia representar mais de 85% da matéria do universo. Mas o que exatamente é a matéria escura é um assunto de grande debate, com teorias para as partículas de matéria escura que variam amplamente em tamanho e propriedades. 

Uma classe proposta de matéria escura consiste em partículas "escalares leves", cujas massas são muitas ordens de magnitude menores que a de um elétron. Os teóricos preveem que essa matéria escura deve se comportar não apenas como partículas, mas também como ondas coordenadas ao se mover perto de buracos negros.

Quando ondas de matéria escura entram em contato com um buraco negro em rápida rotação, os físicos preveem que a energia rotacional do buraco negro pode ser transferida para a matéria escura, amplificando-a. Esse fenômeno, conhecido como superradiância, aumentaria as ondas a densidades extremamente altas de matéria escura, algo semelhante a transformar creme em manteiga.

Em densidades suficientemente altas, a matéria escura escalar leve, invisível sob todas as outras perspectivas, deve deixar uma marca nas ondas gravitacionais que reverberam dos buracos negros em colisão. 

Mas qual seria exatamente a aparência dessa marca? E seria possível detectar tal marca em ondas gravitacionais que chegam à Terra, provenientes de buracos negros que se fundiram a milhões de anos-luz de distância? 

Para responder a essas perguntas, Aurrekoetxea e seus colegas desenvolveram um modelo para prever a forma de onda gravitacional, ou o padrão de ondas gravitacionais que dois buracos negros produziriam, caso colidissem em um ambiente de matéria escura, em comparação com o vácuo (espaço vazio, sem matéria escura). 

Para o novo estudo, a equipe realizou simulações numéricas detalhadas para prever a onda gravitacional que seria produzida, dadas várias propriedades de dois buracos negros em colisão — um sistema conhecido como "binário de buracos negros". Eles consideraram binários de buracos negros em uma variedade de cenários e propriedades, por exemplo, variando o tamanho e a massa de cada buraco negro, o ambiente de matéria escura pelo qual os buracos negros poderiam passar e a densidade da matéria escura que os buracos negros iriam gerar. 

Eles desenvolveram o modelo para prever como seria uma onda gravitacional de um sistema binário de buracos negros se ela carregasse uma marca de matéria escura e, além disso, como essa onda seria se viajasse uma determinada distância através do espaço e do tempo, até finalmente chegar a um detector na Terra.

Com seu modelo, eles buscaram verificar se algum sinal de onda gravitacional detectado na Terra correspondia aos padrões previstos de impressões de matéria escura. Para isso, aplicaram o modelo a dados publicamente disponíveis, registrados pelo LVK durante as três primeiras campanhas de observação dos observatórios. Os observatórios captaram centenas de sinais de ondas gravitacionais nesse período. Para seus propósitos, os pesquisadores se concentraram nos sinais mais nítidos, compreendendo ondas gravitacionais de 28 eventos distintos. 

Para cada evento, a equipe comparou o padrão da onda gravitacional real com seu modelo de como o sinal seria se fosse gerado pelo mesmo evento em um ambiente de matéria escura. Eles também compararam a onda gravitacional com o cenário mais esperado, no qual o sinal foi produzido no vácuo. 

Dos 28 sinais mais nítidos que analisaram, 27 estavam dentro das previsões de terem sido produzidos no vácuo. No entanto, o padrão de um evento, GW190728, mostrou uma "preferência", ou seja, uma concordância com o modelo de matéria escura da equipe. Em outras palavras, o sinal pode conter uma marca de matéria escura. 

A GW190728 é uma onda gravitacional que recebeu esse nome em homenagem à data em que foi detectada — 28 de julho de 2019. Cientistas já haviam determinado que a onda gravitacional se originou de um sistema binário de buracos negros com uma massa total de cerca de 20 vezes a massa do Sol. Com seu modelo, a equipe demonstrou que um sistema desse tipo poderia ter se fundido através de uma densa nuvem de matéria escura e produzido uma onda gravitacional semelhante à GW190728. 

“Agora temos o potencial de descobrir matéria escura ao redor de buracos negros, à medida que os detectores LVK continuarem coletando dados nos próximos anos”, diz o coautor Soumen Roy, que liderou a parte de análise de dados do trabalho. “É um momento empolgante para buscar nova física usando ondas gravitacionais.”

“Usar buracos negros para procurar matéria escura seria fantástico”, acrescenta o coautor Rodrigo Vicente, que desenvolveu o modelo analítico do sinal. “Seríamos capazes de sondar a matéria escura em escalas muito menores do que nunca.”

Este trabalho foi financiado, em parte, pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA e pelo Centro de Física Teórica do MIT — um Instituto Leinweber.