Acredita-se que a matéria escura constitui a maior parte da matéria do universo, mas os cientistas ainda não conseguem observá-la diretamente. Ao contrário da matéria normal, a matéria escura não interage com a luz ou a energia eletromagnética, tornando a gravidade a única forma de detectar a sua presença. Agora, os investigadores acreditam que a colisão de buracos negros pode fornecer uma nova forma de procurar pistas sobre esta substância invisível.
Físicos do MIT e de diversas instituições europeias desenvolveram um método para detectar possíveis sinais de matéria escura escondida em ondas gravitacionais. Essas ondulações no espaço e no tempo são criadas quando objetos massivos como buracos negros espiralam juntos. Se estes buracos negros viajarem através de nuvens densas de matéria escura antes de colidirem, as ondas gravitacionais resultantes poderão transportar vestígios subtis dessa interação.
A equipa testou a sua abordagem usando dados disponíveis publicamente recolhidos pelo LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), a rede internacional de observatórios de ondas gravitacionais que monitoriza fusões de buracos negros e outros eventos cósmicos distantes.
Procurando ondas gravitacionais em busca de pistas de matéria escura
Os pesquisadores analisaram sinais coletados durante as três primeiras execuções de observação do LVK. Eles se concentraram em 28 dos eventos de ondas gravitacionais mais claros já detectados.
Durante 27 eventos, os sinais corresponderam ao que os cientistas esperariam de um buraco negro fundindo-se no espaço vazio. Mas um sinal, conhecido como GW190728, parecia diferente. De acordo com a análise da equipa, esses padrões de ondas gravitacionais podem conter evidências de interações com a matéria escura.
Os investigadores sublinham que isto não equivale a uma descoberta definitiva da matéria escura. Em vez disso, a nova técnica fornece uma maneira de escanear dados de ondas gravitacionais em busca de sinais promissores que possam então ser investigados mais detalhadamente.
“Sabemos que a matéria escura está à nossa volta. Deve ser suficientemente densa para podermos ver os seus efeitos,” disse Josue Orequetxia, pós-doutorando no Departamento de Física do MIT. “Os buracos negros fornecem um mecanismo para aumentar esta densidade, que podemos agora sondar analisando as ondas gravitacionais emitidas durante as fusões.”
Os resultados aparecem em Cartas de Revisão Física. Aurrekoetxea foi coautor do estudo com Saumen Roy, membro da LVK, da Université Catholique de Louvain (UCLouvain) na Bélgica, Rodrigo Vicente da Universidade de Amsterdã, Katy Clough da Queen Mary University de Londres e Pedro Ferreira da Universidade de Oxford.
Como os buracos negros podem acelerar a matéria escura
A matéria escura é um dos maiores mistérios da física. Os cientistas levantam a hipótese de sua existência porque a gravidade ao redor da galáxia parece ser mais forte do que apenas a da matéria visível. Observações de lentes gravitacionais, onde a luz se curva em torno das galáxias, sugerem que uma fonte adicional de massa invisível está influenciando o espaço.
As estimativas atuais sugerem que a matéria escura pode representar mais de 85% da matéria do Universo. No entanto, os pesquisadores ainda não sabem em que realmente consiste a matéria escura.
Uma forma proposta envolve partículas extremamente leves chamadas partículas “escalares leves”. As teorias sugerem que estas partículas podem comportar-se como ondas coerentes perto de buracos negros.
Os cientistas acreditam que quando estas ondas encontram um buraco negro em rotação rápida, a energia rotacional do buraco negro pode ser transferida para as ondas de matéria escura, aumentando dramaticamente a sua densidade. Esse processo, conhecido como superradiância, tem sido comparado a bater creme de manteiga.
Se a densidade for suficientemente alta, a matéria escura pode modificar as ondas gravitacionais produzidas quando os buracos negros colidem.
Prevendo impressões de matéria escura no espaço-tempo
Para investigar esta possibilidade, os investigadores criaram simulações detalhadas de fusões de buracos negros sob diversas condições. Dependem de vários fatores, incluindo a massa e o tamanho do buraco negro, a quantidade de matéria escura circundante e a densidade dessa matéria.
Usando essas simulações, a equipe previu como as ondas gravitacionais apareceriam se os buracos negros se fundissem em um ambiente denso de matéria escura, em vez de um vácuo.
O modelo também levou em conta como essas ondas mudariam à medida que viajassem milhões de anos-luz antes de chegarem ao detector na Terra.
Os pesquisadores então compararam suas previsões com as observações reais do LVK. Dos 28 sinais fortes testados, GW190728 é o único que parece concordar com o cenário da matéria escura.
GW190728 foi detectado pela primeira vez em 28 de julho de 2019. Estudos anteriores determinaram que o sinal veio de dois buracos negros com uma massa combinada 20 vezes a do Sol. De acordo com a nova análise, esses buracos negros podem fundir-se em nuvens densas de matéria escura.
Uma nova ferramenta promissora para pesquisa de matéria escura
“A significância estatística disto não é suficiente para afirmar a detecção de matéria escura, e verificações adicionais devem ser realizadas por grupos independentes”, disse Orecotxia. “O que achamos importante destacar é que sem modelos de formas de onda como os nossos, podemos detectar fusões de buracos negros em ambientes de matéria escura, mas estamos classificando-as sistematicamente como ocorrendo no vácuo”.
Os pesquisadores afirmam que o crescente número de observações de ondas gravitacionais poderá tornar este método cada vez mais viável nos próximos anos.
“Temos agora o potencial para descobrir matéria escura em torno dos buracos negros, à medida que os detectores LVK continuam a recolher dados nos próximos anos,” disse o co-autor Soumen Roy, que liderou a parte de análise de dados do trabalho. “Este é um momento emocionante para explorar uma nova física usando ondas gravitacionais.”
“Usar buracos negros para procurar matéria escura seria fantástico”, acrescentou o coautor Rodrigo Vicente, que criou o modelo analítico do sinal. “Seremos capazes de sondar a matéria escura em escalas muito menores do que nunca.”
A pesquisa foi apoiada pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA e pelo Centro de Física Teórica do MIT – um Instituto Leinweber.
