Cientistas da Universidade de Amsterdã desenvolveram uma nova maneira de usar ondas gravitacionais de buracos negros para detectar a presença de matéria escura e aprender mais sobre seu comportamento. A sua abordagem baseia-se num modelo teórico detalhado baseado na teoria da relatividade geral de Einstein. Este modelo descreve cuidadosamente como um buraco negro interage com a matéria no seu ambiente imediato, incluindo a matéria escura que não pode ser vista diretamente.
A pesquisa foi realizada por Rodrigo Vicente, Theofan C. Carridas e Gianfranco Bertone do Instituto de Física (IoP) da UvA e do Centro de Excelência GRAPPA em Física Gravitacional e Astropartículas em Amsterdã. Seus resultados foram publicados na revista Fichas de exame físico. No estudo, a equipa apresenta um método mais sofisticado para calcular como a matéria escura que rodeia os buracos negros modifica subtilmente as ondas gravitacionais que estes sistemas criam.
Razões de massa extremas de Inspirais e sinais gravitacionais longos
A pesquisa se concentra em uma classe de sistemas conhecidos como massas extremas de inalação, ou EMRIs. Ocorrem quando um pequeno objeto denso – como um buraco negro criado pelo colapso de uma única estrela – orbita um buraco negro muito maior, geralmente no centro de uma galáxia. Com o tempo, o objeto menor espirala gradualmente para dentro, emitindo ondas gravitacionais durante esta descida lenta.
Espera-se que futuras missões espaciais, incluindo a antena espacial LISA da Agência Espacial Europeia, planeada para 2035, observem estes sinais durante muito tempo. Alguns eventos EMRI podem ser rastreados durante meses ou até anos, abrangendo centenas de milhares a milhões de órbitas individuais. Se os cientistas conseguirem modelar estes sinais com alta precisão, os dados resultantes funcionarão como “impressões digitais cósmicas” detalhadas que mostram como a matéria em torno dos buracos negros massivos está organizada. Isso inclui a matéria escura, que se acredita constituir a maior parte da matéria do universo.
Por que um modelo totalmente relativístico é importante
Antes que observatórios como o LISA possam começar a recolher dados, os investigadores precisam de compreender antecipadamente que tipos de ondas gravitacionais devem esperar e como interpretá-las. Até agora, muitos estudos usaram modelos simplistas que descrevem apenas aproximadamente como o ambiente afeta o EMRI. Segundo os autores, essas aproximações deixam efeitos físicos importantes.
O novo trabalho aborda esta limitação introduzindo a primeira estrutura totalmente relativística para uma ampla gama de ambientes possíveis. Isto significa que os cálculos baseiam-se inteiramente na teoria da gravidade de Einstein, em vez de aproximações newtonianas simplificadas. Como resultado, o modelo pode descrever com mais precisão como a matéria ao redor do buraco negro massivo altera a órbita do objeto menor e altera a forma das ondas gravitacionais que são emitidas.
Picos e impressões de matéria escura revelados
A investigação centra-se em regiões densas de matéria escura que podem formar-se em torno de buracos negros massivos. Estas concentrações são frequentemente referidas como “picos” ou “montes”. Ao incorporar o seu modelo relativístico nos cálculos atuais da forma da onda gravitacional, os investigadores demonstram que tais estruturas de matéria escura deixarão sinais claros e mensuráveis em sinais detectados por futuros observatórios.
Os autores descrevem este estudo como um passo significativo em direção a um objetivo científico maior. Com o tempo, eles esperam que as ondas gravitacionais possam ser usadas para mapear a distribuição da matéria escura no universo e fornecer novos insights sobre a sua natureza fundamental.
