No ano passado, a comunidade astronômica alcançou uma maravilha absoluta. Pela primeira vez, o mundo coletivamente pôs os olhos em uma imagem real da sombra de um buraco negro. Foi o culminar de anos de trabalho, uma realização magnífica em colaboração humana e engenhosidade técnica.
E, como as melhores descobertas científicas, abriu um novo mundo de investigação. Para uma equipe liderada pelo astrofísico Hector Olivares da Radboud University na Holanda e da Goethe University na Alemanha, a investigação era: como sabemos que M87 * é um buraco negro?
“Embora a imagem seja consistente com nossas expectativas sobre a aparência de um buraco negro, é importante ter certeza de que o que estamos vendo é realmente o que pensamos”, disse Olivares ao ScienceAlert.
“Da mesma forma que os buracos negros, as estrelas do bóson são previstas pela relatividade geral e são capazes de crescer até milhões de massas solares e atingir uma compactação muito alta. O fato de compartilharem essas características com buracos negros supermassivos levou alguns autores a propor que alguns dos objetos compactos supermassivos localizados no centro das galáxias podem, na verdade, ser estrelas do bóson.”
Então, em um novo artigo, Olivares e sua equipe calcularam a aparência de uma estrela bóson para um de nossos telescópios e como isso seria diferente de uma imagem direta de um buraco negro em formação.
As estrelas do bóson estão entre os objetos teóricos mais estranhos que existem. Eles não são muito parecidos com estrelas convencionais, exceto que são uma massa de matéria. Mas onde as estrelas são feitas principalmente de partículas chamadas férmions – prótons, nêutrons, elétrons, o material que forma as partes mais substanciais do nosso Universo – as estrelas bóson seriam inteiramente compostas de … bósons.
Essas partículas – incluindo fótons, glúons e o famoso bóson de Higgs – não seguem as mesmas regras físicas dos férmions.
Os férmions estão sujeitos ao princípio de exclusão de Pauli, o que significa que você não pode ter duas partículas idênticas ocupando o mesmo espaço. Bósons, no entanto, podem ser sobrepostos; quando se unem, agem como uma grande partícula ou onda de matéria. Sabemos disso porque foi feito em um laboratório, produzindo o que chamamos de condensado de Bose-Einstein.
No caso de estrelas bóson, as partículas podem ser comprimidas em um espaço que pode ser descrito com valores distintos, ou pontos em uma escala. Dado o tipo certo de bósons nos arranjos certos, esse ‘campo escalar’ poderia cair em um arranjo relativamente estável.
Essa é a teoria, pelo menos. Não que alguém tenha visto um em ação. Bósons com a massa necessária para formar tal estrutura, quanto mais um com a massa de um buraco negro supermassivo, ainda não foram identificados.
Se pudéssemos identificar uma estrela bóson, teríamos efetivamente localizado essa partícula indescritível.
“Para formar uma estrutura tão grande quanto os candidatos SMBH, a massa do bóson precisa ser extremamente pequena (menos de 10-17 eletronvolts)”, disse Olivares.
“Bósons spin-0 com massas semelhantes ou menores aparecem em vários modelos cosmológicos e teorias das cordas e foram propostos como candidatos à matéria escura sob diferentes nomes (matéria escura de campo escalar, axions ultraleves, matéria escura difusa, matéria escura de onda quântica) . Tais partículas hipotéticas seriam extremamente difíceis de detectar, mas a observação de um objeto parecido com uma estrela bóson apontaria para sua existência.”
As estrelas do bóson não fundem núcleos e não emitem radiação. Eles apenas sentam lá no espaço, sendo invisíveis. Muito parecido com os buracos negros.
Ao contrário dos buracos negros, no entanto, as estrelas do bóson seriam transparentes – elas não têm uma superfície absorvente que pare os fótons, nem têm um horizonte de eventos. Os fótons podem escapar das estrelas bóson, embora seu caminho possa ser um pouco dobrado pela gravidade.
Mas algumas estrelas bóson podem ser rodeadas por um anel giratório de plasma – muito parecido com o disco de acreção que cerca um buraco negro. E seria bastante semelhante, como um donut brilhante com uma região escura dentro.
Então, Olivares e sua equipe realizaram simulações da dinâmica desses anéis de plasma e as compararam com o que poderíamos esperar de um buraco negro.
“A configuração do plasma que usamos não é feita ‘manualmente’ (sob suposições razoáveis), mas resulta de uma simulação da dinâmica do plasma. Isso permite que o plasma evolua no tempo e forme estruturas como o faria na natureza”, disse Olivares. explicou.
“Desta forma, poderíamos relacionar o tamanho da região escura nas imagens da estrela do bóson (que imita a sombra de um buraco negro) com o raio onde a instabilidade do plasma para de operar. Por sua vez, isso significa que o tamanho da região escura não é arbitrário – vai depender das propriedades do espaço-tempo da estrela bóson – e também nos permite prever seu tamanho para outras estrelas bóson que não simulamos.”
Eles descobriram que a sombra da estrela bóson seria significativamente menor do que a sombra de um buraco negro de massa semelhante. Assim, M87 * poderia ser descartado como uma estrela bóson – pelo menos conforme modelado pela equipe.
“A massa de [M87 *] inferida da dinâmica estelar é consistente com as expectativas sobre o tamanho de sua sombra para o caso de um buraco negro, então a região escura é muito grande para corresponder a uma estrela bóson não rotativa semelhante àquelas nós estudamos “, disse Olivares ao ScienceAlert.
Mas a equipe também levou em consideração as capacidades e limitações técnicas do Event Horizon Telescope, que entregou a primeira imagem do buraco negro; eles deliberadamente começaram a visualizar seus resultados, pois pensavam que as estrelas do bóson poderiam parecer como as imagens do EHT.
Isso significa que seus resultados podem ser comparados a futuras observações de EHT, para determinar se o que estamos vendo é de fato um buraco negro supermassivo.
Se não fosse, isso seria um grande negócio. Isso não significaria que buracos negros supermassivos não existissem – a gama de massas para buracos negros é muito ampla para estrelas bóson. Mas isso daria a entender que as estrelas do bóson são reais e, por sua vez, isso teria enormes implicações, para tudo, desde a inflação do início do Universo até a busca por matéria escura.
“Isso significaria que os campos escalares cosmológicos existem e desempenham um papel importante na formação das estruturas no Universo”, disse Olivares ao ScienceAlert.
“O crescimento de buracos negros supermassivos ainda não é compreendido muito bem, e se descobrirmos que pelo menos algumas das candidatas são na verdade estrelas bóson, precisaríamos pensar em diferentes mecanismos de formação envolvendo campos escalares.”
Publicado em 11/09/2020 12h56
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