Uma partícula hipotética conhecida como bóson ultraleve pode ser responsável pela matéria escura do nosso universo.
Embora o bóson ultraleve não seja diretamente observável, ele pode se acumular ao redor de buracos negros, disparando um mecanismo exótico que o faz explodir – em uma explosão massiva de ondas gravitacionais. Ainda melhor: essas ondas gravitacionais podem ser detectadas com a próxima geração de detectores.
Uma pequena leitura leve
Não sabemos do que 85% da massa do universo é feita (embora gostaríamos de saber). Chamamos isso de “matéria escura”, mas também pode ser “matéria invisível”, porque não interage com a luz de nenhuma maneira, forma ou forma. Na verdade, a matéria escura não se espalha, reflete, absorve, refrata ou realmente não tem nada a ver com a radiação.
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Mas o que a matéria escura tem é a gravidade. Por meio de sua atração gravitacional, podemos ver que afeta o comportamento, o movimento e a evolução das galáxias.
Mas o que poderia ser essa matéria escura misteriosa e invisível? Astrônomos e físicos vêm se intrigando com a questão há décadas e estão lentamente se concentrando em algumas respostas potenciais.
Mergulhando em candidatos de matéria escura
Entre os candidatos está uma partícula hipotética conhecida como axion. O axion foi proposto pela primeira vez em 1977, antes mesmo de sabermos que a matéria escura era uma coisa, e tem algumas propriedades que o tornam atraente e sedutor como candidato à matéria escura.
Por um lado, axions podem ser leves – muito leves – o que torna mais fácil para eles inundarem o universo. É exatamente assim que esperamos que seja a matéria escura, pois afinal é a forma de matéria mais dominante no cosmos.
Em segundo lugar, o axion (e as partículas teóricas relacionadas ao axion, como os chamados “fótons escuros”, que são como axions, mas podem carregar uma hipotética quinta força da natureza) não interage realmente com a radiação ou matéria normal, que é mais um critério que se alinha com a matéria escura.
Bomba de buraco negro
Candidato à matéria escura em mãos, podemos começar a procurar motivos para pensar que ele realmente existe. O áxion, ou algum de seus amigos, faz algum tipo de ruído ou comoção que nos permite detectá-lo?
Bem, de acordo com um artigo publicado recentemente no jornal pré-impresso arXiv, o áxion pode se transformar em uma bomba.
E, se você sempre quis fazer uma bomba axion (ou uma “bomba de buraco negro”), você está com sorte, porque estou prestes a lhe dizer como.
Primeiro, você começa com um buraco negro. Em seguida, certifique-se de que o buraco negro está girando. Buracos negros giratórios podem arrastar o espaço-tempo ao redor deles, como tentar girar uma mesa de centro pesada em cima de um tapete. Essa rotação pode transferir energia da rotação do buraco negro para qualquer material circundante. Esta pode ser uma fonte de energia muito útil: basta chegar perto de um buraco negro e usar sua rotação para fornecer energia ao que você quiser! (… em teoria, pelo menos.)
Isso se aplica a tudo – matéria regular e matéria escura. E se a matéria escura é feita de axions, algo extra especial pode acontecer por causa dessa rotação.
Dependendo da massa da partícula axion, quando se aproximam de um buraco negro (o que não é difícil de fazer, por causa da atração gravitacional do buraco negro), pode desencadear uma instabilidade.
Os axions giram ao redor, roubando alguma energia do buraco negro e essa energia extra faz com que eles girem ainda mais rápido, chegando ainda mais perto do buraco negro. Isso então puxa ainda mais energia para os axions, fazendo-os girar cada vez mais rápido.
Esse processo é chamado de “instabilidade superradiante”, mas prefiro o termo “bomba de buraco negro”.
Movimento no escuro
Quando se trata de axions (e partículas teóricas como os axions), esta bomba não produz um flash de luz. Em vez disso, os axions agrupam-se em torno de buracos negros em uma configuração específica, organizando-se em picos e vales que parecem quase ondas estacionárias.
Essas ondas giram com o buraco negro, tornando-se cada vez mais enérgicas. As rotações liberam uma quantidade enorme de ondas gravitacionais – as ondulações sutis da gravidade que passam constantemente por todo o universo.
Detectamos ondas gravitacionais com instrumentos como LIGO e VIRGO há anos, mas esses instrumentos estão sintonizados para os maiores eventos energéticos, como dois buracos negros ou estrelas de nêutrons colidindo. Mas, por trás desses eventos super-ruidosos, existe um murmúrio geral de ondas gravitacionais. Como ouvir o burburinho de um restaurante movimentado, o fundo é muito fraco para detectar as fontes individuais que geram todas as ondas – você só precisa ouvir o barulho.
Dependendo da massa exata de um axion (os modelos teóricos por trás dos axions não prevêem realmente uma massa firme para a partícula), bombas de buraco negro podem explodir o tempo todo. Embora poderoso, cada evento individual seria muito fraco para detectarmos diretamente com LIGO ou LISA, mas contribuiria para o cenário geral.
Até o momento, não há evidências no fundo das ondas gravitacionais para essas bombas de buraco negro – e, portanto, nenhuma evidência ligando-as à matéria escura por trás delas. Mas essa não detecção nos ajuda a entender esses modelos – se o áxion fosse mais pesado do que uma determinada massa (e estamos certos sobre como as bombas de buraco negro funcionam), então eles já teriam aparecido em segundo plano agora.
A próxima geração de detectores de ondas gravitacionais será ainda mais sensível, e talvez vejamos nossa primeira bomba de buraco negro. E, junto com ele, nossa primeira evidência conclusiva da identidade da matéria escura.
Publicado em 15/12/2020 23h05
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