Descobertas misteriosas ao redor do globo abriram uma possibilidade tentadora: o cosmos pode estar cheio de estrelas fantasmagóricas que são invisíveis para nossos detectores mais sensíveis.
Olhe para o céu após o pôr-do-sol e a familiar colcha da noite está pontilhada de estrelas brilhantes. Essas fornalhas ardentes são tão vívidas que podemos ver sua luz, embora até as mais próximas estejam a quatrilhões de quilômetros de distância.
É uma visão que a maioria de nós já viu em inúmeras ocasiões, então você seria perdoado por pensar que todas as estrelas devem se comportar dessa maneira. Afinal, não brilha apenas o que uma estrela faz?
No entanto, se uma enxurrada de descobertas recentes for para ser acreditada, há uma classe totalmente diferente de estrelas espreitando lá fora – fantasmas estelares ocultos sob um véu de escuridão. Essas estrelas transparentes e invisíveis não emitem luz alguma, o que significa que se escondem nas sombras celestes.
Os astrônomos já suspeitam que, ao contrário das estrelas comuns, a maior parte do Universo está oculta. Quando eles olham para galáxias, como a nossa Via Láctea, eles encontram estrelas nas bordas externas movendo-se rápido demais. Tão rápido, na verdade, que eles deveriam voar para o espaço.
Para que sejam mantidos a reboque, deve haver algo para controlá-los. A explicação mais popular é que há muito material oculto na Galáxia, proporcionando uma quantidade significativa de gravidade extra. Os cientistas chamam este material de “matéria escura” e acredita-se que supere em número a matéria comum da qual você e eu somos feitos em uma proporção de mais de cinco para um.
O veredicto da maioria nas últimas décadas foi que essa cola celestial é feita de partículas maciças de interação fraca (WIMPs). Isso levou os físicos a uma busca intensa e sem precedentes para capturá-los. Eles construíram detectores sob o gelo na Antártica, em minas de ouro abandonadas e até mesmo a bordo da Estação Espacial Internacional.
Até agora, todas as buscas não deram certo. É um tanto irônico, então, que um de nossos detectores WIMP possa ter acabado de encontrar evidências a favor de uma teoria rival da matéria escura – uma que abre a porta para a possibilidade de estrelas invisíveis.
Bósons escuros
O experimento XENON1T está localizado a 3.600 metros abaixo da montanha Gran Sasso, na Itália, e é o maior centro de pesquisa subterrâneo do mundo. Um enorme tanque contendo mais de três toneladas de xenônio líquido foi projetado para funcionar como uma armadilha WIMP – se um WIMP atingir um átomo no tanque, o átomo irá recuar e cuspir elétrons e fótons (partículas de luz).
No entanto, no verão de 2020, os pesquisadores do XENON1T anunciaram que viram algo inesperado: um excesso de elétrons que não combinava com um influxo de WIMPs. De acordo com o Dr. Tongyan Lin, da Universidade da Califórnia, San Diego, existem três explicações possíveis.
As duas primeiras explicações são partículas do Sol, ou contaminantes radioativos do experimento. O terceiro, e de longe o mais interessante, é a chegada de outra forma proposta de matéria escura: bósons escuros.
Um bóson é uma partícula subatômica que carrega uma força. O fóton, por exemplo, é um bóson que carrega a força eletromagnética. Um bóson escuro, diz a teoria, pode ser a própria matéria escura ou, pelo menos, ser responsável pela maneira como a matéria escura interage com a matéria comum. Se o sinal XENON1T resistir a um exame mais minucioso – e as outras explicações mais mundanas podem ser excluídas – pode ser o primeiro sinal de que bósons escuros estão realmente lá fora.
Outra sugestão tentadora ocorreu em setembro de 2020, alguns meses após o anúncio do XENON1T. Duas equipes de físicos – uma na Europa e outra nos Estados Unidos – usaram lasers para confinar átomos em uma armadilha de mesa. Como todos os átomos, eles continham elétrons zunindo em torno de um núcleo central em órbitas conhecidas como níveis de energia.
O Dr. Michael Drewsen, da Universidade Aarhus, na Dinamarca, faz parte da equipe europeia. Ele diz que a presença de um bóson escuro criaria uma força que perturba o átomo. “Veríamos uma pequena mudança no nível de energia do elétron”, diz ele.
Embora sua equipe não tenha encontrado essa mudança, seus colegas nos EUA encontraram. Como sempre, os cientistas são um grupo cauteloso e não são capazes de imediatamente chegar à conclusão de que um bóson escuro realmente é o culpado.
“Pode ser porque eles estavam usando um átomo mais pesado”, diz Drewsen. A equipe europeia capturou cálcio, enquanto a equipe americana usou itérbio. Ainda assim, suas descobertas, juntamente com as do XENON1T, são um tiro no braço para aqueles que argumentam que os bósons escuros são reais. As evidências circunstanciais certamente estão se acumulando.
Os astrônomos estão reforçando ainda mais o caso. Se os bósons escuros são afetados pela gravidade, eles também deveriam se agrupar da mesma forma que a matéria comum. “Eles se autogravitariam em estrelas bósons”, diz Hector Olivares, da Radboud University, na Holanda.
Essas estrelas seriam muito diferentes daquelas dispostas em constelações no céu noturno. Para começar, sem fusão nuclear ocorrendo em seus núcleos, eles não produziriam qualquer luz. Eles também seriam transparentes. “Qualquer coisa que se aproximasse deles passaria direto”, diz Olivares.
A falta de qualquer interação não gravitacional entre a matéria comum e a matéria escura significa que seria como um fantasma passando por uma parede. Afinal, a única razão pela qual você não cai de uma cadeira é a força eletromagnética repulsiva entre os elétrons em seu traseiro e os do assento.
De acordo com Olivares, uma estrela bóson poderia crescer tanto quanto os buracos negros supermassivos (SMBHs) que se acredita residirem no coração de cada grande galáxia. Na verdade, ele suspeita que pode ser possível que uma estrela bóson gigante inicialmente nos engane, fazendo-nos pensar que é um SMBH. “Ambos carecem de uma superfície sólida”, diz ele, referindo-se ao fato de que um buraco negro é um alçapão cósmico com um ponto sem retorno conhecido como horizonte de eventos.
Buracos negros e estrelas escuras do bóson
Olivares conduziu recentemente as primeiras simulações de material caindo em direção a uma estrela bóson parecida com um buraco negro. “Descobrimos que eles são distinguíveis dos buracos negros”, diz ele. Isso porque eles não têm sombra.
Em 2019, os astrônomos divulgaram a primeira imagem de um buraco negro, incluindo uma região escura – uma sombra – renderizada pela luz ausente que o buraco negro engoliu. Embora uma estrela bóson não tenha uma sombra – o material passa direto em vez de ser engolido – às vezes tem uma característica que faz um bom trabalho de personificação de uma. Olivares chama de pseudo-sombra.
“Na maioria dos casos, não vemos uma pseudo-sombra e, quando vemos, é menor do que a sombra de um buraco negro”, diz ele. Em breve, poderíamos usar isso como um teste para ver se a SMBH no centro da Via Láctea é na verdade uma estrela bóson gigante. “É algo que pode ser distinguido usando o Event Horizon Telescope [que foi o mesmo instrumento usado para capturar a primeira fotografia do buraco negro]”, diz Olivares. Esse trabalho está em andamento.
Enquanto esperamos pacientemente por esse resultado, o Dr. Juan Calderón Bustillo, da Universidade de Santiago de Compostela, na Espanha, pode já ter encontrado duas estrelas bóson disfarçadas de buracos negros. Colisões celestes calamitosas criam ondulações – ondas gravitacionais – que se espalham pelo Universo e alcançam a Terra.
Eles foram apanhados pela primeira vez em 2015 usando o Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) nos EUA. A maioria dos eventos que vimos até agora foram buracos negros binários – dois monstros gravitacionais orbitando um ao outro antes de cair no esquecimento.
Normalmente, existem três estágios distintos para tal colisão – a espiral, a fusão e, em seguida, o novo mega buraco negro que ele cria. Mas, de acordo com Bustillo, um evento em particular se destaca como estranho: GW190521. “Não vemos esse primeiro estágio em espiral”, diz ele. “Em vez disso, pode ser uma colisão frontal.”
O resto das fusões de buracos negros que vimos até agora vêm de dois buracos negros que já orbitam um ao outro. No entanto, se dois buracos negros anteriormente desconectados se chocassem, isso poderia explicar a falta de um estágio em espiral antes da colisão. Então Bustillo fez as contas, mas essa explicação não funcionou.
“O sinal da onda gravitacional dura mais do que você esperaria”, diz ele. O buraco negro resultante também gira mais rápido do que deveria – uma colisão frontal não forneceria o mesmo impulso rotacional que um par de buracos negros já girando em torno um do outro. “Então o portão está aberto para outras explicações”, acrescenta.
Bustillo se perguntou se uma colisão frontal entre duas estrelas do bóson poderia caber no projeto. Acontece que eles podem. De acordo com sua pesquisa, há um estágio extra no processo de colisão de estrelas bóson, em comparação com a colisão de buracos negros. A grande estrela bóson criada a partir das duas em colisão oscila um pouco antes de se tornar um buraco negro.
Este estágio de oscilação extra poderia explicar por que o sinal durou mais do que você esperava para dois buracos negros em colisão. Bustillo também foi capaz de usar os dados de colisão para calcular a massa dos bósons que constituem as estrelas. “O valor gira em torno das restrições atuais de outras medições”, diz ele. Em outras palavras, ele se ajusta às nossas idéias existentes sobre a matéria escura.
O verdadeiro argumento decisivo virá quando vermos mais ondas gravitacionais de colisões sem um estágio inicial em espiral. “Espero que os detectores vejam mais sinais como este”, diz Bustillo. Se eles também podem ser explicados pela colisão de estrelas bóson, e cada evento independente dá consistentemente a mesma massa para os bósons escuros, então ficará mais difícil ignorar a possibilidade de que estrelas transparentes estejam lá fora.
Dois experimentos futuros poderão em breve entrar na briga e nos ajudar a sustentar ainda mais o caso, de acordo com o Dr. Costantino Pacilio, da Universidade Sapienza de Roma. O primeiro é o Telescópio Einstein, um detector europeu de ondas gravitacionais baseado em solo. A segunda é a Antena Espacial do Interferômetro a Laser (LISA), um trio de espaçonaves que voarão em formação separadas umas das outras por 2,5 milhões de quilômetros.
“Ambos terão uma sensibilidade maior do que o LIGO, o que significa que teremos uma visão mais precisa e detalhada da forma das ondas gravitacionais”, diz Pacilio. Isso é crucial, porque cada objeto em colisão imprime suas características na forma das ondas.
Em particular, a maneira como os dois objetos em colisão se deformam com sua gravidade fornece uma assinatura única. “As estrelas do bóson são objetos exóticos”, diz Pacilio. “Eles apenas interagem gravitacionalmente com o Universo, então esta é a única maneira de se mostrarem.”
Quando inventamos o telescópio, foi para ter uma visão melhor das coisas que já podíamos ver. Mas agora, séculos depois, está se tornando cada vez mais aparente que há muito mais no Universo do que aparenta. Talvez seja hora de virar nossas idéias sobre estrelas de cabeça para baixo e aceitar o fato de que poderia haver tantas estrelas invisíveis rastejando através do Universo em grande parte invisíveis.
Publicado em 18/03/2021 09h44
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