Ba³sons ultraleves sãopartículas hipotanãticas cuja massa éestimada em menos de um bilionanãsimo da massa de um elanãtron. Eles interagem relativamente pouco com seus arredores e, atéagora, escaparam de pesquisas para confirmar sua existaªncia. Se eles existirem, ba³sons ultraleves, como os axions, provavelmente seriam uma forma de matéria escura, a substância misteriosa e invisível que constitui 85% da matéria no universo.

Agora, os fa­sicos do Laborata³rio LIGO do MIT pesquisaram ba³sons ultraleves usando buracos negros - objetos que são de ordens de magnitude mais massivas do que as próprias partículas De acordo com as previsaµes da teoria qua¢ntica, um buraco negro de certa massa deveria atrair nuvens de ba³sons ultraleves, que por sua vez deveriam desacelerar coletivamente o spin de um buraco negro. Se aspartículas existem, todos os buracos negros de uma massa especa­fica devem ter spins relativamente baixos.

Mas os fa­sicos descobriram que dois buracos negros detectados anteriormente estãogirando rápido demais para serem afetados por qualquer ba³son ultraleve. Por causa de seus grandes spins, a existaªncia dos buracos negros exclui a existaªncia de ba³sons ultraleves com massas entre 1,3x10-13 eletronvolts e 2,7x10-13 eletronvolts - cerca de um quintilionanãsimo da massa de um elanãtron.

Os resultados da equipe, publicados hoje na Physical Review Letters , estreitam ainda mais a busca por axions e outros ba³sons ultraleves. O estudo também éo primeiro a usar os spins de buracos negros detectados pelo LIGO e Virgo, e dados de ondas gravitacionais, para procurar matéria escura.

“Existem diferentes tipos de ba³sons, e nostestamos um”, diz o coautor Salvatore Vitale, professor assistente de física do MIT. “Pode haver outros, e podemos aplicar essa análise ao crescente conjunto de dados que o LIGO e o Virgo fornecera£o nos pra³ximos anos.”

Os coautores de Vitale são o autor principal Kwan Yeung (Ken) Ng, um estudante de pós-graduação no Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT, junto com pesquisadores da Universidade de Utrecht na Holanda e da Universidade Chinesa de Hong Kong.

Ba³sons ultraleves estãosendo pesquisados ​​em uma ampla gama de massas superleves, de 1x10-33 eletronvolts a 1x10-6 eletronvolts. Os cientistas atéagora usaram experimentos de mesa e observações astrofa­sicas para descartar lascas desse amplo espaço de massas possa­veis. Desde o ini­cio dos anos 2000, os fa­sicos propuseram que os buracos negros poderiam ser outra forma de detectar ba³sons ultraleves, devido a um efeito conhecido como superradiance.

Se existirem ba³sons ultraleves, eles poderiam interagir com um buraco negro nas circunsta¢ncias certas. A teoria qua¢ntica postula que, em uma escala muito pequena, aspartículas não podem ser descritas pela física cla¡ssica, ou mesmo como objetos individuais. Essa escala, conhecida como comprimento de onda Compton, éinversamente proporcional a  massa da parta­cula.

Como os ba³sons ultraleves são excepcionalmente leves, prevaª-se que seu comprimento de onda seja excepcionalmente grande. Para uma certa faixa de massa de ba³sons, seu comprimento de onda pode ser compara¡vel ao tamanho de um buraco negro. Quando isso acontece, espera-se que a superradia¢ncia se desenvolva rapidamente. Ba³sons ultraleves são então criados a partir do va¡cuo em torno de um buraco negro, em quantidades grandes o suficiente para que aspartículas minaºsculas coletivamente arrastem o buraco negro e diminuam sua rotação.

“Se vocêpular para dentro e para baixo de um carrossel, pode roubar energia do carrossel”, diz Vitale. “Esses ba³sons fazem a mesma coisa com um buraco negro.”

Os cientistas acreditam que essa desaceleração do ba³son pode ocorrer ao longo de vários milhares de anos - relativamente rápido em escalas de tempo astrofa­sicas.

“Se ba³sons existissem, esperara­amos que buracos negros antigos com a massa apropriada não tivessem grandes spins, já que as nuvens de ba³sons teriam extraa­do a maior parte deles”, diz Ng. “Isso implica que a descoberta de um buraco negro com grandes spins pode descartar a existaªncia de ba³sons com certas massas.”

Ng e Vitale aplicaram esse racioca­nio a medições de buracos negros feitas pelo LIGO, o Observatório de Ondas Gravitacionais de Interfera´metro a Laser e seu detector companheiro, Virgo. Os detectores “ouvem” ondas gravitacionais ou reverberações de cataclismos distantes, como buracos negros que se fundem, conhecidos como binários.

Em seu estudo, a equipe examinou todos os 45 binários de buracos negros relatados por LIGO e Virgo atéo momento. As massas desses buracos negros - entre 10 e 70 vezes a massa do Sol - indicam que se eles tivessem interagido com ba³sons ultraleves, aspartículas teriam ficado entre 1x10-13 eletronvolts e 2x10-11 eletronvolts em massa.

Para cada buraco negro, a equipe calculou o spin que deveria ter se o buraco negro fosse girado para baixo por ba³sons ultraleves dentro da faixa de massa correspondente. De sua análise, dois buracos negros se destacaram: GW190412 e GW190517. Assim como existe uma velocidade máxima para objetos fa­sicos - a velocidade da luz - existe uma rotação superior na qual os buracos negros podem girar. GW190517 estãogirando pra³ximo a esse ma¡ximo. Os pesquisadores calcularam que, se ba³sons ultraleves existissem, eles teriam reduzido seu spin por um fator de dois.

“Se existissem, essas coisas teriam absorvido muito momento angular”, diz Vitale. "Eles são realmente vampiros."

Os pesquisadores também levaram em consideração outros cenários possa­veis para a geração dos grandes spins dos buracos negros, embora ainda permitindo a existaªncia de ba³sons ultraleves. Por exemplo, um buraco negro poderia ter sido girado para baixo por ba³sons, mas posteriormente acelerado novamente por meio de interações com o disco de acreção circundante - um disco de matéria do qual o buraco negro poderia sugar energia e momentum.

“Se vocêfizer as contas, descobrira¡ que leva muito tempo para girar um buraco negro atéonívelque vemos aqui”, diz Ng. “Portanto, podemos ignorar com segurança esse efeito de spin-up.”

Em outras palavras, éimprova¡vel que os altos spins dos buracos negros se devam a um cena¡rio alternativo em que ba³sons ultraleves também existam. Dadas as massas e altos spins de ambos os buracos negros, os pesquisadores conseguiram descartar a existaªncia de ba³sons ultraleves com massas entre 1,3x10-13 eletronvolts e 2,7x10-13 eletronvolts.

“Basicamente, exclua­mos alguns tipos de ba³sons nessa faixa de massa”, diz Vitale. “Este trabalho também mostra como as detecções de ondas gravitacionais podem contribuir para pesquisas porpartículas elementares.”