Tecnologia Científica

Novas possibilidades para detectar a radiação Hawking emitida por buracos negros primordiais
A radiaa§a£o Hawking éa radiaa§a£o tanãrmica que Stephen Hawking previu ser emitida espontaneamente por buracos negros.
Por Ingrid Fadelli - 22/06/2021


Radiação Hawking

Nova restrição PBH baseada em dados COMPTEL (azul escuro), projeções do alcance de descoberta de futuros telesca³pios de raios gama MeV (outras curvas coloridas) e restrições existentes (regiaµes cinza sombreadas). Crédito: Coogan et al.

Embora muitos fa­sicos tenham previsto a existaªncia de matéria escura, um tipo de matéria que não absorve, reflete ou emite luz, atéagora ninguanãm foi capaz de observa¡-la experimentalmente ou determinar sua natureza fundamental. Os buracos negros primordiais leves (PBHs), buracos negros formados no ini­cio do universo, estãoentre os candidatos mais promissores a  matéria escura. No entanto, a existaªncia desses buracos negros ainda não foi confirmada.

Pesquisadores da University of Amsterdam e University of California-Santa Cruz realizaram recentemente um estudo com o objetivo de melhorar as restrições existentes no espaço de parametros permitido de PBHs como matéria escura. Em seu artigo, publicado na Physical Review Letters , eles também propaµem um possí­vel manãtodo que poderia ser usado para detectar diretamente a radiação Hawking em regiaµes densas de matéria escura e, potencialmente, permitir a descoberta de matéria escura PBH.

A radiação Hawking éa radiação tanãrmica que Stephen Hawking previu ser emitida espontaneamente por buracos negros. Essa radiação éhipotetizada para surgir da conversão de flutuações qua¢nticas do va¡cuo em pares departículas, uma escapando do buraco negro e a outra presa dentro de seu horizonte de eventos (ou seja, a fronteira em torno dos buracos negros de onde nenhuma luz ou radiação pode escapar).

"PBHs que compreendem mais do que alguns por cento da matéria escura precisam ter massa entre cerca de 10 16 gramas e 10 35 gramas", disse Adam Coogan, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org. "Ao longo da maior parte desse intervalo, várias observações os excluem de compor 100% da matéria escura. No entanto, háuma lacuna nota¡vel nas restrições: PBHs com massas em torno de um asteroide (~ 10 17 gramas a 10 22 gramas) ainda poderia formar toda a matéria escura. "

Identificar manãtodos para restringir o espaço de parametros permitido de PBHs ou detectar a radiação Hawking que emana deles pode ser um passo importante para a observação ou descoberta de matéria escura de PBHs. Coogan, em colaboração com seus colegas Logan Morrison e Stefano Profumo, começou a examinar o potencial dos telesca³pios de raios gama MeV como ferramentas para detectar a radiação PBH Hawking.

"A ideia principal por trás de nosso trabalho era pensar em uma maneira particular de procurar PBHs com massa de asteroide", explicou Coogan. "Espera-se que os PBHs de luz emitam radiação Hawking que consiste em uma mistura de fa³tons e outraspartículas de luz, como elanãtrons e pa­ons. Os telesca³pios podem pesquisar essa radiação observando nossa gala¡xia ou outras gala¡xias. O objetivo do nosso artigo era entender como os pra³ximos telesca³pios seriam capazes de observar essa radiação e, consequentemente, quanto do espaço de parametros PBH de massa de asteroide eles poderiam sondar. "
 
Ao tentar estimar as massas de PBHs que os telesca³pios emergentes poderiam ajudar a restringir, Coogan e seus colegas descobriram que estudos anteriores ainda não haviam analisado os dados coletados pelo telesca³pio COMPTEL, um telesca³pio de raios gama lana§ado pela NASA a bordo do Observatório de Raios Gama Compton (CGRO). Esses dados, no entanto, poderiam ajudar a restringir a abunda¢ncia de PBHs ligeiramente abaixo da lacuna de massa do asteroide (ou seja, abaixo de 10 17 gramas). Embora já existam restrições neste intervalo de massa, graças a s observações da radiação Hawking recolhidas pela Voyager 1 e o satanãlite INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory (INTEGRAL), as novas restrições introduzidas pelos investigadores foram consideradas as mais fortes atéa  data.

"A principal entrada para computar restrições e fazer projeções écalcular o espectro da radiação Hawking produzida por um aºnico PBH", disse Coogan. "Refinamos este ca¡lculo em comparação com as ferramentas existentes na literatura, melhorando como a radiação produzida por elanãtrons e pa­ons écontabilizada no espectro. O resto dos ca¡lculos são bastante ta­picos para pesquisas de matéria escura."

Supondo que PBHs de uma massa especa­fica constituem uma determinada fração da matéria escura total no Espaço, os ca¡lculos realizados por Coogan e seus colegas permitiriam aos pesquisadores computar sua contribuição para o espectro de fa³tons emitidos por um objeto astrofisico que se acredita conter um quantidade substancial de matéria escura, como o centro da Via La¡ctea. Se o espectro estimado por esses ca¡lculos fosse muito mais brilhante do que o espectro observado, por exemplo, seria possí­vel descartar a possibilidade de que PBHs daquela massa especa­fica constituam uma fração especa­fica da matéria escura.

"Fazer projeções para o desempenho de futuros telesca³pios segue linhas semelhantes, embora não haja espectro observado para comparação", explicou Coogan. "Nesse caso, o espectro de fa³tons emitidos por PBHs écomparado com um modelo para o fundo astrofisico esperado de fa³tons."

O estudo recente de Coogan, Morrison e Profumo estabeleceu as maiores restrições aos PBHs de baixa massa atéo momento, usando dados coletados como parte de um experimento conclua­do há20 anos. Além disso, os pesquisadores mostraram que os pra³ximos telesca³pios capazes de observar raios gama de energia MeV poderiam ajudar a sondar PBHs de massa de asteroide, que éuma parte muito difa­cil do espaço de parametros PBH para sondar.

"A comunidade astrona´mica tem considerado várias propostas para tais telesca³pios nos últimos anos e acho que nosso artigo fornece outra motivação sãolida para construa­-los", acrescentou Coogan. "Além dos PBHs, temos estudado como os pra³ximos telesca³pios de raios gama MeV poderiam sondar diferentes modelos departículas de matéria escura. Recentemente, conclua­mos outro artigo onde calculamos os espectros de raios gama para alguns modelos específicos e estamos trabalhando com outros colaboradores para refinar esses ca¡lculos. "

Coogan, Morrison e Profumo também colaboraram recentemente com Alexander Moiseev, um cientista pesquisador da NASA, que estãodesenvolvendo um telesca³pio chamado Explorador Gala¡ctico com um Telescópio Compton de Ma¡scara de Abertura Codificada (GECCO). Junto com Moiseev, eles tem tentado mapear maneiras pelas quais o GECCO poderia ajudar na busca por matéria escura.

 

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