Novas pesquisas desafiam o que pensávamos saber sobre o que acontece ao redor dos buracos negros.
Estamos acostumados a pensar em buracos negros como os vácuos finais, capazes de sugar tudo ao seu redor e se recusar a deixar qualquer coisa sair novamente. Isso inclui a luz, daí o “preto” em seus nomes. Mas nos últimos 50 anos, os físicos perceberam que os buracos negros afetam seus ambientes de maneiras interessantes e complicadas. Uma dessas maneiras leva a um processo chamado superradiância, no qual um buraco negro aumenta qualquer luz próxima em níveis intensos de energia.
Para que a superradiância funcione, o buraco negro precisa girar. Isso não é um problema, pois os buracos negros nascem da morte de estrelas massivas, e essas estrelas já estão girando. À medida que os buracos negros giram, eles literalmente arrastam o espaço-tempo ao seu redor, criando uma região ao redor do horizonte de eventos – o ponto além do qual nada pode escapar – conhecida como ergosfera. Dentro da ergosfera, é impossível ficar parado. Se você caísse em um buraco negro, antes de atingir o horizonte de eventos, seria puxado para sua órbita, mesmo que tentasse ficar parado.
O efeito de rotação da ergosfera fica mais forte à medida que você se aproxima do buraco negro, e é isso que cria o efeito de superradiância. Alguns fótons – unidades fundamentais de luz – que passam perto do buraco negro ficam presos na ergosfera e, à medida que se aproximam do horizonte de eventos, giram em torno do buraco negro cada vez mais rápido. A cada volta, eles ganham mais e mais energia. Alguns desses fótons caem para o destino, cruzando o horizonte de eventos, para nunca mais serem vistos. Mas alguns se dispersam de outros fótons e escapam, e são impulsionados para energias incrivelmente altas no processo.
O processo de superradiância é instável. Em escalas de tempo incrivelmente longas, fótons suficientes podem ser impulsionados para energias altas o suficiente para que todo o entorno do buraco negro se transforme em uma “bomba” gigante, com os fótons presos explodindo em uma única explosão gigantesca. Mas esse processo acontece devagar o suficiente para que ainda não o tenhamos visto no universo.
A superradiância pode se estender além dos fótons; pode acontecer com qualquer tipo de bóson, incluindo todos os portadores de força da natureza e o bóson de Higgs – e também, talvez, a matéria escura.
A matéria escura é a forma dominante de matéria no universo, constituindo mais de 80% de toda a massa de cada galáxia e aglomerado. Os astrônomos têm muitas evidências circunstanciais da existência de matéria escura, mas ainda precisam definir sua identidade.
Fótons escuros
Uma possibilidade é que a matéria escura seja um novo tipo de partícula ultraleve que compartilha muitas características com os bósons, mas não interage com todas as partículas normais do universo. Esses “fótons escuros” seriam incrivelmente leves, mas inundariam o cosmos. Mas como não interagiriam com a matéria normal, seriam extremamente difíceis de observar diretamente.
Isto é, a menos que eles se acumulem em torno de buracos negros. A superradiância pode operar em fótons escuros tão bem quanto em fótons normais. Quando os fótons escuros se acumulam em torno de buracos negros, eles podem ficar presos e impulsionados para altas energias, onde podem se transformar em outras partículas (ou mesmo apenas fótons normais).
Durante décadas, os físicos estudaram esse estranho fenômeno, especialmente porque o processo de superradiância oferece um caminho para possíveis observações diretas da matéria escura se ela for feita de algum bóson superleve. (Se os bósons da matéria escura forem muito pesados, eles não se acumularão ao redor dos buracos negros da mesma maneira, e o truque da superradiância não funcionaria mais.)
De fato, os astrônomos usaram observações reais de buracos negros para limitar o número de fótons escuros no universo. Ainda temos que observar superradiância em torno de buracos negros, o que significa que fótons escuros podem não existir. Mas um novo trabalho de pesquisa publicado no banco de dados de pré-impressão arXiv (abre em nova guia) desafia esses resultados, dizendo que a situação pode ser muito mais complexa.
A maioria dos trabalhos sobre a matéria escura assume que ela é feita de um único novo tipo de partícula. Mas não há razão para que o mundo da matéria escura não seja tão complexo e rico quanto o mundo da matéria normal. Em contraste com trabalhos anteriores, a nova pesquisa assume a existência de duas “espécies” diferentes de matéria escura: uma semelhante a fótons escuros (um bóson) e outra semelhante a uma nova partícula (como uma versão de matéria escura de um elétron). .
Os pesquisadores descobriram que as interações entre os diferentes tipos de matéria escura podem atrapalhar o processo de superradiância, impedindo assim que os fótons escuros recebam um impulso e decolem. Em vez disso, enquanto giram em torno do buraco negro, eles podem continuar atingindo as outras espécies de partículas de matéria escura, minando sua energia no processo.
Isso significa que não podemos tomar os limites observados pelo valor nominal. Só porque os astrônomos não viram superradiância não indica necessariamente que os fótons escuros não existam. Em vez disso, pode significar que a física da matéria escura é muito mais complicada do que pensávamos.
Publicado em 17/08/2022 08h59
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