Os buracos negros primordiais continuam sendo uma das ideias mais intrigantes da astronomia há décadas. Agora, investigadores da Universidade de Miami acreditam que a recente deteção de ondas gravitacionais pode aproximar os cientistas da confirmação da realidade destes objetos antigos, um avanço que também poderá ajudar a desvendar o eterno mistério da matéria escura.
Pensa-se que os buracos negros primordiais se formaram na primeira fração de segundo após o Big Bang, muito antes do aparecimento das primeiras estrelas e galáxias. Ao contrário dos buracos negros criados pelo colapso de estrelas, estes objetos hipotéticos poderiam variar em tamanho, desde algo tão pequeno como um asteroide até corpos muito maiores.
Embora o buraco negro original nunca tenha sido confirmado, os cientistas acreditam que podem responder a várias questões básicas 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 nossa pesquisa ajudará a confirmar que eles existem”, disse Nico Cappelluti, professor assistente do Departamento de Física da Universidade de Miami, referindo-se à pesquisa que conduziu com o Ph.D. um aluno de Albert Maharaj.
Um sinal LIGO incomum
O seu trabalho baseia-se numa possível descoberta relatada pelo Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), que detectou um sinal de onda gravitacional incomum no final do ano passado. As ondas gravitacionais são ondulações no espaço-tempo causadas por alguns dos eventos mais violentos do universo, incluindo colisões entre buracos negros.
A maioria dos buracos negros conhecidos são formados após explosões de supernovas. Suas massas normalmente variam de várias vezes a massa do Sol a bilhões de massas solares.
“Os buracos negros mais comuns são formados como resultado de uma supernova, a morte de uma estrela massiva. Portanto, as suas massas podem variar desde várias vezes a massa do Sol até milhares de milhões de massas solares,” explicou Cappelluti.
Mas em novembro, o LIGO emitiu um alerta automatizado de fusão que resultou em pelo menos um objeto com menos de uma massa solar. Um buraco negro tão pequeno seria difícil de explicar usando a evolução estelar normal e pode, em vez disso, apontar para um buraco negro primordial.
Nem todo mundo está convencido. Alguns astrofísicos sugeriram que o sinal pode ser apenas ruído nos detectores extremamente sensíveis do LIGO, em vez de evidência de uma nova descoberta notável.
Isso poderia explicar a matéria escura?
Cappelluti e Magaraja argumentam que o objeto detectado é melhor explicado como um buraco negro primordial que se formou no ambiente denso do universo primitivo muito antes da existência de estrelas.
Para testar esta ideia, os investigadores calcularam quantos buracos negros primordiais podem existir em todo o universo e com que frequência o LIGO deveria detectá-los.
“Tentamos estimar quantos buracos negros primordiais podem existir no universo e quantos deles o LIGO seria capaz de detectar”, disse Magaraja. “E os nossos resultados são encorajadores. Prevemos que buracos negros subsolares como o que o LIGO pode ter observado devem de facto ser raros, em linha com o quão raros tais eventos foram observados até agora.”
Suas descobertas, publicadas em 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 carece de uma explicação astrofísica convencional, é a detecção de um buraco negro primordial”, disse Cappelluti. “E o nosso estudo mostra que estes buracos negros primordiais podem constituir uma porção significativa, se não toda, da matéria escura.”
Mesmo assim, ambos os investigadores sublinham que a detecção por si só não é suficiente para resolver a questão.
Por enquanto, os cientistas devem esperar para ver se o LIGO e os seus parceiros internacionais registam eventos adicionais que se enquadram no mesmo padrão.
“O LIGO obteve evidências muito fortes de que estes tipos de buracos negros existem. Mas precisaremos de detetar outro sinal deste tipo, ou mesmo vários outros, para ter uma confirmação definitiva de que são reais”, disse Cappelluti. “Mas o que está claro é que não podem ser descartados como reais.”
Uma teoria que está sendo elaborada há décadas
O conceito de buracos negros primordiais remonta à era da Guerra Fria, quando os cientistas soviéticos Yakov Zeldovich e Igor Novikov levantaram pela primeira vez a hipótese da sua existência. No início da década de 1970, Stephen Hawking expandiu a ideia, argumentando que esses objetos poderiam estar espalhados por todo o universo, emitindo radiação e possivelmente explicando a matéria escura.
Mais tarde, o LIGO proporcionou a primeira oportunidade de encontrar evidências para apoiar estas teorias. Em 14 de setembro de 2015, o observatório fez história ao detectar ondas gravitacionais pela primeira vez, confirmando uma previsão fundamental da teoria da relatividade geral de Albert Einstein e abrindo uma forma totalmente nova de estudar o universo.
O futuro da astronomia de ondas gravitacionais
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 suas chances de encontrar candidatos adicionais para buracos negros primordiais. No entanto, os dois detectores em forma de L do observatório, cada um com braços de vácuo de 4 km de comprimento, foram concebidos para detectar ondas gravitacionais de alta frequência produzidas por colisões cósmicas relativamente recentes, em vez de ondas produzidas directamente durante o Big Bang.
Os observatórios futuros estender-se-ão muito mais para o passado. Espera-se que a Antena Espacial de Interferômetro Laser (LISA) da Agência Espacial Europeia, com lançamento previsto para 2035, detecte ondas gravitacionais desde as primeiras épocas após o Big Bang.
Outro objeto planejado, 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 que remontam à época em que as primeiras estrelas se formaram.
