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 comum, a matéria escura não interage com a luz ou forças eletromagnéticas, tornando a gravidade a única forma conhecida 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 Instituto de Tecnologia de Massachusetts e de diversas instituições europeias desenvolveram um método para identificar possíveis sinais de matéria escura escondida em ondas gravitacionais. Esta ondulação no espaço e no tempo é criada quando objetos massivos como buracos negros giram e espiralam juntos. Quando estes buracos negros viajam através de nuvens densas de matéria escura antes de colidirem, as ondas gravitacionais resultantes podem ter traços subtis desta interação.
A equipa testou a sua abordagem usando dados disponíveis publicamente recolhidos pelo LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), uma rede internacional de observatórios de ondas gravitacionais que rastreiam fusões de buracos negros e outros eventos cósmicos distantes.
Procurando pistas sobre a matéria escura em ondas gravitacionais
Os pesquisadores analisaram os sinais coletados durante as três primeiras observações do LVK. Eles se concentraram nos 28 eventos de ondas gravitacionais mais distintos detectados até agora.
Para 27 destes eventos, os sinais foram consistentes com o que os cientistas esperariam da fusão de buracos negros no espaço vazio. Mas um sinal, conhecido como GW190728, parecia diferente. De acordo com a análise da equipa, o padrão desta onda gravitacional pode conter evidências de interações com a matéria escura.
Os pesquisadores enfatizam que isso não significa uma descoberta confirmada de matéria escura. Em vez disso, a nova técnica fornece uma maneira de escanear dados de ondas gravitacionais em busca de sinais promissores que possam mais tarde ser investigados mais detalhadamente.
“Sabemos que a matéria escura está à nossa volta. Só tem de ser suficientemente densa para podermos notar os seus efeitos,” afirma Josue Aurekoetcea, investigador de pós-doutoramento no Departamento de Física do MIT. “Os buracos negros fornecem um mecanismo para aumentar esta densidade, que podemos agora procurar analisando as ondas gravitacionais emitidas quando se fundem.”
As descobertas aparecem em Cartas de Revisão Física. Aurrekoetxea foi coautor do estudo com Soumen Roy, membro da LVK, da Universidade Católica de Louvain (UCLouvain), na Bélgica, Rodrigo Vicente, da Universidade de Amsterdã, Cathy Clough, da Queen Mary University of London, e Pedro Ferreira, da Universidade de Oxford.
Como os buracos negros podem amplificar a matéria escura
A matéria escura continua sendo um dos maiores mistérios da física. Os cientistas inferem a sua existência porque a gravidade em torno das galáxias parece ser mais forte do que a matéria visível por si só pode explicar. Observações de lentes gravitacionais, onde a luz se curva em torno das galáxias, mostram que o cosmos é influenciado por uma fonte adicional e invisível de massa.
As estimativas atuais sugerem que a matéria escura pode constituir 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 “escalares leves”. As teorias sugerem que estas partículas podem comportar-se como ondas coordenadas perto de buracos negros.
Os cientistas acreditam que quando estas ondas colidem com um buraco negro em rotação rápida, a energia da rotação do buraco negro pode ser transferida para as ondas de matéria escura, aumentando dramaticamente a sua densidade. Este processo, conhecido como hiperradiação, foi comparado a transformar creme em manteiga.
Se a densidade aumentar o suficiente, a matéria escura pode alterar as ondas gravitacionais produzidas pela colisão de buracos negros.
Prevendo impressões de matéria escura no espaço-tempo
Para investigar esta possibilidade, os investigadores construíram simulações detalhadas de fusões de buracos negros sob várias condições. Eles variaram fatores, incluindo as massas e tamanhos dos buracos negros, a quantidade de matéria escura circundante e a densidade dessa matéria.
Usando estas simulações, a equipe previu como as ondas gravitacionais apareceriam quando os buracos negros se fundissem dentro de um meio denso de matéria escura, em vez de no vácuo.
O modelo também levou em consideração como essas ondas mudariam à medida que viajassem milhões de anos-luz antes de chegarem aos detectores na Terra.
Os pesquisadores então compararam suas previsões com as observações reais do LVK. Dos 28 sinais mais fortes examinados, GW190728 foi o único evento que mostrou concordância com o cenário da matéria escura.
GW190728 foi detectado pela primeira vez em 28 de julho de 2019. Estudos anteriores mostraram que o sinal vem de dois buracos negros com uma massa combinada cerca de 20 vezes a do Sol. De acordo com a nova análise, estes buracos negros poderiam fundir-se numa densa nuvem de matéria escura.
Uma nova ferramenta promissora para o estudo da matéria escura
“A significância estatística disto não é suficientemente elevada para afirmar a detecção de matéria escura, e mais testes devem ser realizados por grupos independentes”, diz Aurrecuchea. “O que achamos importante enfatizar é que sem modelos de sinais como o nosso, poderíamos detectar fusões de buracos negros em ambientes de matéria escura, mas classificá-las sistematicamente como tendo ocorrido no vácuo”.
Os investigadores dizem que o número crescente de observações de ondas gravitacionais poderá tornar esta abordagem cada vez mais útil nos próximos anos.
“Temos agora o potencial para detectar matéria escura em torno dos buracos negros, à medida que os detectores LVK continuarem a recolher dados nos próximos anos,” afirma o co-autor Saumen Roy, que liderou parte do trabalho de análise de dados. “Este é um momento emocionante para explorar uma nova física usando ondas gravitacionais.”
“Usar buracos negros para procurar matéria escura seria fantástico”, acrescenta o coautor Rodrigo Vicente, que desenvolveu o modelo analítico do sinal. “Seríamos capazes de estudar a matéria escura em escalas muito menores do que nunca.”
A pesquisa foi apoiada em parte pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA e pelo Centro de Física Teórica do MIT – Instituto Leinweber.
