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Buracos negros e matéria escura - são a mesma coisa?
Pensa-se que a matéria escura - que nunca foi observada diretamente - constitui a maioria da matéria no universo e atua como o andaime invisível sobre o qual as galáxias se formam e se desenvolvem.
Por Jim Shelton - 18/12/2021


Um novo estudo teoriza que os buracos negros primordiais formados após o Big Bang (o painel da extrema esquerda) constituem toda a matéria escura do universo. Em épocas iniciais, eles se aglomeram e semeiam a formação das primeiras galáxias e, eventualmente, crescem alimentando-se de gás e se fundindo com outros buracos negros para criar os buracos negros supermassivos vistos no centro das galáxias como a nossa Via Láctea hoje. (Crédito: Yale e ESA)

Buracos negros primordiais criados nos primeiros instantes após o Big Bang - minúsculos menores que a cabeça de um alfinete e supermassivos cobrindo bilhões de milhas - podem ser responsáveis ​​por toda a matéria escura do universo.

Essa é a implicação de um novo modelo do universo primitivo criado por astrofísicos de Yale, da Universidade de Miami e da Agência Espacial Européia (ESA). Se for comprovada a verdade com os dados do telescópio espacial James Webb, a ser lançado em breve, a descoberta transformaria a compreensão dos cientistas sobre as origens e a natureza da matéria escura e dos buracos negros.

Pensa-se que a matéria escura - que nunca foi observada diretamente - constitui a maioria da matéria no universo e atua como o andaime invisível sobre o qual as galáxias se formam e se desenvolvem. Os físicos passaram anos testando uma variedade de candidatos à matéria escura, incluindo partículas hipotéticas, como neutrinos estéreis, partículas maciças de interação fraca (WIMPS) e axions.

Buracos negros, por outro lado, foram observados. Um buraco negro é um ponto no espaço onde a matéria está tão compactada que cria uma gravidade intensa. Nem mesmo a luz pode resistir à sua atração. Os buracos negros são encontrados no centro da maioria das galáxias.

O novo estudo, aceito para publicação no The Astrophysical Journal, remonta a uma teoria proposta pela primeira vez na década de 1970 pelos físicos Stephen Hawking e Bernard Carr. Na época, Hawking e Carr argumentaram que na primeira fração de segundo após o Big Bang, pequenas flutuações na densidade do universo podem ter criado uma paisagem ondulante com regiões "irregulares" que tinham massa extra. Essas áreas irregulares desmoronariam em buracos negros.

Embora a teoria não tenha ganhado força dentro da comunidade científica mais ampla - o novo estudo sugere que, se modificada ligeiramente, ela poderia ter poder explicativo afinal.

Se a maioria dos buracos negros primordiais “nasceram” com um tamanho de aproximadamente 1,4 vezes a massa do Sol da Terra, eles poderiam ser responsáveis ​​por toda a matéria escura, disse o professor de astronomia e física de Yale, Priyamvada Natarajan, o teórico do artigo.

Natarajan e seus colegas dizem que seu novo modelo mostra que as primeiras estrelas e galáxias teriam se formado em torno de buracos negros no início do universo. Além disso, ela disse, os buracos negros primordiais teriam a capacidade de se transformar em buracos negros supermassivos se banqueteando com gás e estrelas em sua vizinhança ou se fundindo com outros buracos negros.

“Os buracos negros primordiais, se eles existem, podem muito bem ser as sementes das quais todos os buracos negros supermassivos se formam, incluindo aquele no centro da Via Láctea”, disse Natarajan.

“ O que considero pessoalmente muito empolgante nessa ideia é como ela unifica elegantemente os dois problemas realmente desafiadores em que trabalho - o de sondar a natureza da matéria escura e a formação e crescimento de buracos negros - e os resolve de uma só vez, " ela adicionou.

A missão do telescópio James Webb será encontrar as primeiras galáxias que se formaram no início do universo e ver estrelas formando sistemas planetários.

O primeiro autor do novo estudo é Nico Cappelluti, ex-bolsista de pós-doutorado do Prêmio Yale Center for Astronomy & Astrophysics e agora professor assistente de física na Universidade de Miami. Günther Hasinger, diretor de ciência da ESA, é o segundo autor do estudo.

“ Nosso estudo mostra que, sem introduzir novas partículas ou nova física, podemos resolver os mistérios da cosmologia moderna, desde a natureza da própria matéria escura até a origem dos buracos negros supermassivos”, disse Cappelluti.

Os buracos negros primordiais também podem resolver outro quebra-cabeça cosmológico: o excesso de radiação infravermelha, sincronizada com a radiação de raios X, que foi detectada em fontes distantes e escuras espalhadas pelo universo. Natarajan e seus colegas disseram que os buracos negros primordiais em crescimento apresentariam “exatamente” a mesma assinatura de radiação.

O melhor de tudo é que a existência de buracos negros primordiais pode ser provada - ou desmentida - em um futuro próximo, cortesia do James Webb Space Telescope e da missão Laser Interferometer Space Antenna (LISA) da ESA anunciada para 2030.

Se a matéria escura fosse composta de buracos negros primordiais, mais estrelas e galáxias teriam se formado em torno deles no início do universo - precisamente a época que o telescópio James Webb será capaz de ver. LISA, entretanto, será capaz de captar sinais de ondas gravitacionais de fusões iniciais de buracos negros primordiais.

“ Se as primeiras estrelas e galáxias já se formaram na chamada 'idade das trevas', Webb deve ser capaz de ver evidências delas”, disse Hasinger.

Natarajan acrescentou: “Foi irresistível explorar essa ideia profundamente, sabendo que ela tinha o potencial de ser validada em breve”.

 

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