A partícula “impossível” incrivelmente energética que atingiu a Terra em 2023 poderia ser detritos de um buraco negro primordial em explosão formado durante o Big Bang. Se assim for, poderia provar a existência de buracos negros primordiais, o que poderia ajudar a explicar de que é feita a “matéria” mais misteriosa do universo, a matéria escura.
A partícula em questão é uma Neutrino 100.000 vezes mais energético do que as partículas de alta energia produzidas pelo maior e mais poderoso acelerador de partículas do mundo Grande Colisor de Hádrons (LHC). Na verdade, a partícula era tão energética que os cientistas não tinham conhecimento de quaisquer eventos cósmicos naturais suficientemente poderosos para criá-la.
A chave para explosões de buracos negros é o vazamento Radiação HawkingUm tipo de radiação térmica nomeada por um físico Stephen Hawking, que propôs pela primeira vez a sua existência em 1974. Quanto mais quente é um buraco negro, mais rapidamente ele liberta radiação Hawking, perde massa e finalmente termina a sua vida num big bang.
O problema é que quanto maior é um buraco negro, mais frio ele é e mais lentamente perde radiação de calor para o seu entorno. Assim, mesmo os menores buracos negros de massa estelar nascidos quando estrelas massivas se transformam em supernovas no final de suas vidas levam 10^67 anos da idade do universo para vazar radiação suficiente para atingir esse estado explosivo.
No entanto, Hawking levantou a hipótese de que poderia existir outro tipo de buraco negro, nascido não da morte de uma estrela, mas diretamente das flutuações de densidade no “mar primordial” de partículas ultraquentes que encheram o universo nos primeiros momentos após o Big Bang. Como estes buracos negros primordiais são tão pequenos, massas até um planeta ou um grande asteróide, 3 a 5 vezes a massa do Sol, são quentes o suficiente para vazar radiação Hawking, como os menores buracos negros de massa estelar.
“Quanto mais leve for o buraco negro, mais quente deverá ser e mais partículas emitirá”, disse Andrea Thom, membro da equipa, da Universidade de Massachusetts Amherst. disse em um comunicado. “À medida que os buracos negros primordiais evaporam, eles sempre se tornam mais leves e mais quentes, emitindo ainda mais radiação no processo de funcionamento até explodirem. A radiação Hawking é o que nossos telescópios podem detectar.”
Os astrônomos por trás da pesquisa estimam que um buraco negro primordial deveria explodir com uma frequência de aproximadamente a cada dez anos. Até agora, nenhuma destas explosões foi detectada, pelo que tanto os buracos negros primordiais como a radiação Hawking permanecem puramente teóricos. Isto é, a menos que a origem de um buraco negro primordial em explosão seja descoberta por cortesia de outra forma de detecção, a sua verdadeira natureza não será facilmente compreendida.
A partícula impossível
O neutrino energético foi detectado em 2023 por uma rede de detectores de neutrinos chamada KM3NeT localizada no Mar Mediterrâneo.
“Observar um neutrino de alta energia é um evento incrível”, disse Michael Baker, membro da equipe e pesquisador da Universidade de Massachusetts Amherst. “Isso nos deu uma nova janela para o universo. Mas agora podemos verificar experimentalmente a radiação Hawking e obter evidências tanto de buracos negros primordiais quanto de novas partículas além deles. modelo padrão, e explica o mistério Matéria escura.”
No entanto, há um obstáculo. O evento não foi detectado por um detector de neutrinos semelhante chamado IceCube, localizado nas profundezas da calota polar do Pólo Sul. Isso foi um problema porque o cubo de gelo foi projetado especificamente para detectar neutrinos de alta energia, mas não detectou nenhuma dessas partículas com energia 1/100 da de um neutrino impossível.
Se um buraco negro primordial explodir uma vez a cada década, o cubo de gelo deverá ser bombardeado com neutrinos de alta energia. Então, onde eles estão?
Uma equipe da Universidade de Massachusetts Amherst tem uma teoria.
“Pensamos que os buracos negros primordiais com ‘carga escura’ – que chamamos de buracos negros primordiais semi-extremos – são o elo perdido,” disse o membro da equipa Joaquim Iguaz Juan, da Universidade de Massachusetts Amherst.
“Carga escura” é uma versão da força eletromagnética com a qual estamos familiarizados, mas não é transportada por um elétron estacionário, mas por um parente muito mais pesado, uma partícula hipotética chamada “elétron escuro”.
“Existem outros modelos mais simples de buracos negros primordiais”, disse Baker. “O nosso modelo de carga escura é mais complexo, o que significa que pode fornecer um modelo mais preciso da realidade. O mais interessante é que o nosso modelo pode explicar este fenómeno que de outra forma seria inexplicável.”
Um buraco negro primordial com carga escura teria propriedades únicas que o fariam comportar-se de forma diferente de um buraco negro primordial padrão, e isto não só explicaria o neutrino impossível, mas também resolveria o mistério do que realmente é a matéria escura.
A matéria escura é particularmente problemática porque, ao contrário das partículas que compõem a matéria estável, ela não interage com a radiação eletromagnética ou “luz”. Isto significa que, embora supere as partículas comuns numa proporção de 5 para 1, a matéria escura é efetivamente invisível e completamente misteriosa. Um possível candidato à matéria escura são os buracos negros primordiais.
“Se a nossa hipótese for verdadeira, acreditamos que poderá haver uma população substancial de buracos negros primordiais, consistente com outras observações astrofísicas, e responsável por toda a matéria escura em falta no Universo”, concluiu Iguaz Juan.
A pesquisa do grupo foi aceita para publicação na revista Cartas de revisão física.
