O buraco negro primordial tem sido um dos conceitos mais intrigantes da astronomia há décadas. Agora, investigadores da Universidade de Miami acreditam que uma recente deteção de ondas gravitacionais pode aproximar os cientistas da confirmação de que estes objetos antigos são reais, um avanço que poderá ajudar a resolver o mistério duradouro da matéria escura.
Acredita-se que os buracos negros primordiais tenham se formado na primeira fração de segundo após o Big Bang, muito antes de as primeiras estrelas ou galáxias existirem. Ao contrário dos buracos negros criados pelo colapso de estrelas, estes objetos hipotéticos podem variar em tamanho, desde corpos tão pequenos como um asteróide até corpos muito maiores.
Embora ainda não tenham sido confirmados buracos negros primordiais, os cientistas acreditam que podem responder a várias questões-chave sobre o Universo. Uma das maiores é a natureza da matéria escura, a substância invisível que constitui cerca de 85% de toda a matéria e fornece a força gravitacional que ajuda a manter as galáxias unidas.
“Acreditamos que nosso estudo ajudará a confirmar que eles realmente existem”, disse Nico Cappelluti, professor associado do departamento de física da Universidade de Miami, referindo-se à pesquisa que conduziu com seu doutorado. Aluno Alberto Magaragia.
Um sinal LIGO incomum
O seu trabalho baseia-se numa potencial descoberta reportada pelo Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), que detectou um sinal de onda gravitacional incomum no final do ano passado. Ondas gravitacionais são ondas no espaço-tempo produzidas por algum evento violento no universo, incluindo colisões entre buracos negros.
Os buracos negros mais conhecidos são formados depois que uma estrela massiva explode como uma supernova. Suas massas normalmente variam de algumas vezes a massa do Sol a bilhões de massas solares.
“Os buracos negros mais comuns são formados por uma supernova, a morte de uma estrela massiva. Portanto, a sua massa pode variar desde algumas vezes a massa do Sol até milhares de milhões de massas solares,” explicou Cappelluti.
Mas em Novembro, o LIGO emitiu um alerta automático para uma fusão em que pelo menos um objecto parecia ter menos de uma massa solar. Um buraco negro tão pequeno seria difícil de explicar através da evolução estelar convencional e pode, em vez disso, indicar um buraco negro primordial.
Nem todo mundo é crente. Alguns astrónomos sugeriram que o sinal poderia ser ruído nos detectores altamente sensíveis do LIGO, em vez de evidência de uma nova descoberta extraordinária.
Isso poderia explicar a matéria escura?
Cappelluti e Magaraggia argumentam que o objeto detectado é melhor explicado como um buraco negro primordial que se formou nas condições densas do universo primitivo, muito antes de as estrelas existirem.
Para testar esta ideia, os investigadores estimaram quantos buracos negros primordiais podem existir em todo o Universo e com que frequência o LIGO os detectaria.
“Tentamos estimar quantos buracos negros primordiais podem existir no universo e quantos deles o LIGO seria capaz de detectar”, disse Magaraggia. “E os nossos resultados são encorajadores. Prevemos que os buracos negros subsolares do tipo LIGO deverão ser realmente raros, consistente com o número de eventos deste tipo que foram observados até agora.”
Suas descobertas, publicadas Jornal Astrofísicosugerem que o misterioso sinal LIGO não tem explicação astrofísica convencional e é mais consistente com um buraco negro primordial.
O estudo “sugere que a explicação mais plausível para o sinal LIGO, que não tem explicação astronómica convencional, é a detecção de um buraco negro primordial”, disse Cappelluti. “E a nossa investigação indica que estes buracos negros primordiais podem ser responsáveis por uma fração significativa da matéria escura, se não por toda.”
Ainda assim, ambos os investigadores sublinham que uma identificação não é suficiente para resolver a questão.
Por enquanto, os cientistas terão de esperar para ver se o LIGO e os seus parceiros internacionais registam eventos adicionais que correspondam ao mesmo padrão.
“O LIGO forneceu evidências muito fortes da existência de tais buracos negros. Mas precisamos de detectar outro sinal deste tipo, ou mesmo vários mais, para confirmar a prova definitiva,” disse Cappelluti. “Mas o que está claro é que não podem ser descartados como reais.”
Uma teoria que está sendo desenvolvida há décadas
O conceito de buracos negros primordiais remonta à era da Guerra Fria, quando os cientistas soviéticos Yakov Zeldovich e Igor Novikov propuseram pela primeira vez a sua existência. No início da década de 1970, Stephen Hawking expandiu esta ideia, argumentando que estes objetos poderiam ser abundantes em todo o universo, emitir radiação e possivelmente explicar a matéria escura.
Mais tarde, o LIGO proporcionou a primeira oportunidade de procurar evidências que apoiassem essas teorias. Em 14 de setembro de 2015, o observatório fez história ao detectar ondas gravitacionais pela primeira vez, confirmando uma previsão fundamental da teoria geral da relatividade de Albert Einstein e abrindo uma forma inteiramente nova de estudar o universo.
Onda gravitacional é o futuro da astronomia
O LIGO consiste em dois observatórios localizados em Hanford, Washington e Livingston, Louisiana. Juntamente com o detector Virgo, em Itália, e o observatório subterrâneo KAGRA, no Japão, formam a colaboração internacional LVK, que procura buracos negros, regiões do espaço onde a gravidade é tão forte que nem a luz consegue escapar.
As atualizações planejadas tornarão o LIGO ainda mais sensível, aumentando as chances de encontrar candidatos adicionais a buracos negros primordiais. No entanto, os dois detectores em forma de L do observatório, cada um com um braço de vácuo de 4 km de comprimento, foram concebidos para detectar ondas gravitacionais de alta frequência produzidas por colisões cósmicas relativamente recentes, e não ondas geradas directamente durante o Big Bang.
Os futuros observatórios irão expandir-se e chegarão mais longe no tempo. Espera-se que a Antena Espacial de Interferômetro Laser (LISA) da Agência Espacial Europeia, com lançamento previsto para 2035, detecte as primeiras ondas gravitacionais no universo após o Big Bang.
Outra instalação planejada, o Cosmic Explorer, está atualmente em fase de projeto nos Estados Unidos. Os investigadores esperam que seja cerca de 10 vezes mais sensível que o LIGO, permitindo-lhe detectar fusões de buracos negros e estrelas de neutrões quando as primeiras estrelas foram formadas.
