Por cerca de 50 anos, a comunidade científica tem enfrentado um problema substancial: não há matéria visível suficiente no universo.
Toda a matéria que podemos ver — estrelas, planetas, poeira cósmica e tudo mais — não pode explicar por que o universo se comporta como ele se comporta, e deve haver cinco vezes mais dessa matéria para que as observações dos pesquisadores façam sentido, de acordo com a Nasa (agência espacial dos Estados Unidos). Os cientistas chamam essa matéria de matéria escura, porque ela não interage com a luz e é invisível.
Nos anos 1970, os astrônomos americanos Vera Rubin e W. Kent Ford confirmaram a existência da matéria escura ao observar estrelas orbitando na periferia de galáxias espirais. Eles notaram que essas estrelas estavam se movendo rápido demais para serem mantidas unidas pela matéria visível da galáxia e sua gravidade — elas deveriam estar se dispersando. A única explicação era uma grande quantidade de matéria invisível, mantendo a galáxia unida.
“O que você vê em uma galáxia espiral,” disse Rubin na época, “não é o que você obtém.” Seu trabalho baseou-se em uma hipótese formulada na década de 1930 pelo astrônomo suíço Fritz Zwicky e deu início a uma busca pela substância elusiva.
Desde então, os cientistas têm tentado observar a matéria escura diretamente e até construíram grandes dispositivos para detectá-la — mas até agora, sem sucesso.
No início da busca, o renomado físico britânico Stephen Hawking postulou que a matéria escura poderia estar escondida em buracos negros — o principal assunto de seu trabalho — formados durante o big bang.
Agora, um novo estudo de pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) trouxe a teoria de volta ao destaque, revelando do que esses buracos negros primordiais eram feitos e potencialmente descobrindo um tipo totalmente novo de buraco negro exótico no processo.
“Foi realmente uma surpresa maravilhosa nesse sentido,” disse David Kaiser, um dos autores do estudo.
“Estávamos utilizando os famosos cálculos de Stephen Hawking sobre buracos negros, especialmente seu importante resultado sobre a radiação que os buracos negros emitem,” disse Kaiser. “Esses buracos negros exóticos surgem ao tentar resolver o problema da matéria escura — eles são um subproduto de explicar a matéria escura.”
O início de tudo
Os cientistas fizeram muitas suposições sobre o que poderia ser a matéria escura, variando de partículas desconhecidas a dimensões extras. Mas a teoria dos buracos negros de Hawking só recentemente entrou em jogo.
“As pessoas não a levavam muito a sério até talvez 10 anos atrás,” disse a coautora do estudo Elba Alonso-Monsalve, uma estudante de pós-graduação do MIT. “E isso porque os buracos negros pareciam realmente elusivos — no início do século 20, as pessoas pensavam que eles eram apenas um fato matemático divertido, nada físico.”
Agora sabemos que quase todas as galáxias têm um buraco negro em seu centro, e a descoberta das ondas gravitacionais de Einstein criadas por buracos negros em colisão em 2015 — uma descoberta marcante — deixou claro que eles estão por toda parte.
“Na verdade, o universo está repleto de buracos negros,” disse Alonso-Monsalve. “Mas a partícula de matéria escura não foi encontrada, embora as pessoas tenham procurado em todos os lugares onde esperavam encontrá-la. Isso não quer dizer que a matéria escura não seja uma partícula, ou que com certeza sejam buracos negros. Pode ser uma combinação de ambos. Mas agora, os buracos negros como candidatos à matéria escura são levados muito mais a sério.”
Outros estudos recentes confirmaram a validade da hipótese de Hawking, mas o trabalho de Alonso-Monsalve e Kaiser, professor de física e Professor Germeshausen de História da Ciência no MIT, vai um passo além e investiga exatamente o que aconteceu quando os buracos negros primordiais se formaram pela primeira vez.
O estudo, publicado em 6 de junho na revista Physical Review Letters, revela que esses buracos negros devem ter aparecido na primeira quintilionésima de segundo do big bang: “Isso é realmente muito cedo, e muito antes do momento em que prótons e nêutrons, as partículas de que tudo é feito, foram formados,” disse Alonso-Monsalve.
No nosso mundo cotidiano, não podemos encontrar prótons e nêutrons separados, acrescentou ela, e eles agem como partículas elementares. No entanto, sabemos que não são, porque são feitos de partículas ainda menores chamadas quarks, unidas por outras partículas chamadas glúons.
“Você não pode encontrar quarks e glúons sozinhos e livres no universo agora, porque está frio demais,” acrescentou Alonso-Monsalve. “Mas no início do big bang, quando estava muito quente, eles podiam ser encontrados sozinhos e livres. Então, os buracos negros primordiais se formaram absorvendo quarks e glúons livres.”
Tal formação os tornaria fundamentalmente diferentes dos buracos negros astrofísicos que os cientistas normalmente observam no universo, que são o resultado do colapso de estrelas. Além disso, um buraco negro primordial seria muito menor — apenas a massa de um asteroide, em média, condensada no volume de um único átomo. Mas, se um número suficiente desses buracos negros primordiais não evaporou no início do big bang e sobreviveu até hoje, eles poderiam representar toda ou a maior parte da matéria escura.
Uma assinatura duradoura
Durante a formação dos buracos negros primordiais, outro tipo de buraco negro, nunca antes visto, deve ter se formado como um tipo de subproduto, segundo o estudo. Estes teriam sido ainda menores — apenas a massa de um rinoceronte, condensada em menos do que o volume de um único próton.
Esses minúsculos buracos negros, devido ao seu pequeno tamanho, teriam sido capazes de adquirir uma propriedade rara e exótica da sopa de quarks e glúons em que se formaram, chamada de “carga de cor”. É um estado de carga exclusivo para quarks e glúons, nunca encontrado em objetos comuns, disse Kaiser.
Essa carga de cor os tornaria únicos entre os buracos negros, que geralmente não têm carga de nenhum tipo. “É inevitável que esses buracos negros ainda menores também tenham se formado, como um subproduto (da formação dos buracos negros primordiais),” disse Alonso-Monsalve, “mas eles não estariam mais por aí hoje, pois já teriam evaporado.”
No entanto, se ainda estivessem presentes apenas dez milionésimos de segundo após o big bang, quando prótons e nêutrons se formaram, eles poderiam ter deixado assinaturas observáveis ao alterar o equilíbrio entre os dois tipos de partículas.
“O equilíbrio de quantos prótons e quantos nêutrons foram formados é muito delicado e depende do que mais existia no universo naquela época. Se esses buracos negros com carga de cor ainda estivessem por aí, poderiam ter alterado o equilíbrio entre prótons e nêutrons (em favor de um ou outro), apenas o suficiente para que, nos próximos anos, pudéssemos medir isso,” acrescentou ela.
A medição poderia vir de telescópios baseados na Terra ou de instrumentos sensíveis em satélites em órbita, disse Kaiser. Mas poderia haver outra maneira de confirmar a existência desses buracos negros exóticos, acrescentou ele.
“Produzir uma população de buracos negros é um processo muito violento que enviaria enormes ondulações no espaço-tempo circundante. Essas ondulações seriam atenuadas ao longo da história cósmica, mas não a zero,” disse Kaiser. “A próxima geração de detectores gravitacionais poderia vislumbrar os buracos negros de pequena massa — um estado exótico de matéria que foi um subproduto inesperado dos buracos negros mais comuns que poderiam explicar a matéria escura hoje.”
Muitas formas de matéria escura
O que isso significa para os experimentos em andamento que estão tentando detectar matéria escura, como o Experimento de Matéria Escura LZ em Dakota do Sul?
“A ideia de que existem novas partículas exóticas continua sendo uma hipótese interessante,” disse Kaiser. “Há outros tipos de grandes experimentos, alguns dos quais estão em construção, buscando maneiras sofisticadas de detectar ondas gravitacionais. E esses de fato poderiam captar alguns dos sinais dispersos do processo muito violento de formação dos buracos negros primordiais.”
Há também a possibilidade de que os buracos negros primordiais sejam apenas uma fração da matéria escura, acrescentou Alonso-Monsalve. “Não precisa realmente ser tudo igual,” disse ela. “Há cinco vezes mais matéria escura do que matéria regular, e a matéria regular é formada por uma série de diferentes partículas. Então, por que a matéria escura deveria ser um único tipo de objeto?”
Os buracos negros primordiais recuperaram popularidade com a descoberta de ondas gravitacionais, mas ainda se sabe pouco sobre sua formação, segundo Nico Cappelluti, professor assistente no departamento de física da Universidade de Miami. Ele não esteve envolvido no estudo.
“Este trabalho é uma opção interessante e viável para explicar a elusiva matéria escura,” disse Cappelluti.
O estudo é empolgante e propõe um novo mecanismo de formação para a primeira geração de buracos negros, disse Priyamvada Natarajan, Professora Joseph S. e Sophia S. Fruton de Astronomia e Física na Universidade de Yale. Ela também não esteve envolvida no estudo.
“Todo o hidrogênio e hélio que temos em nosso universo hoje foi criado nos primeiros três minutos, e se uma quantidade suficiente desses buracos negros primordiais existisse até então, eles teriam impactado esse processo e esses efeitos podem ser detectáveis,” disse Natarajan.
“O fato de que esta é uma hipótese testável por meio de observações é o que acho realmente emocionante, além do fato de que isso sugere que a natureza provavelmente cria buracos negros desde os tempos mais primórdios através de múltiplas vias.”
Buraco negro mais antigo já observado foi detectado por astrônomos
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