Uma equipe internacional de cientistas liderada pelo Instituto Galego de Física de Altas Energias (IGFAE) e pela Universidade de Aveiro mostra que a colisão de buraco negro mais pesada alguma vez observada, produzida pela onda gravitacional GW190521, pode ser ainda mais misteriosa: a fusão de duas estrelas de bóson. Essa seria a primeira evidência da existência desses objetos hipotéticos, que são candidatos à matéria escura, que se acredita compreenderem 27% da massa do universo.
As ondas gravitacionais são ondulações na estrutura do espaço-tempo que viajam à velocidade da luz. Estes se originam nos eventos mais violentos do universo, levando informações sobre suas fontes. Desde 2015, os dois detectores LIGO nos EUA e o detector Virgo em Cascina, Itália, detectam e interpretam ondas gravitacionais. Até o momento, esses detectores já observaram cerca de 50 sinais de ondas gravitacionais. Tudo isso se originou nas colisões e fusões de buracos negros e estrelas de nêutrons, permitindo aos físicos aprofundar o conhecimento sobre esses objetos.
No entanto, a promessa das ondas gravitacionais vai muito mais longe do que isso, já que elas deveriam eventualmente nos fornecer evidências para objetos previamente não observados e até mesmo inesperados, e lançar luz sobre os mistérios atuais como a natureza da matéria escura. O último pode, no entanto, já ter acontecido.
Em setembro de 2020, a colaboração LIGO e Virgo (LVC) anunciou ao mundo o sinal de onda gravitacional GW190521. De acordo com sua análise, o sinal era consistente com a colisão de dois buracos negros pesados, de 85 e 66 vezes a massa do Sol, que produziu um buraco negro final com 142 massas solares. O buraco negro resultante foi o primeiro de uma nova família de buracos negros até então não observada: buracos negros de massa intermediária. Esta descoberta é de suma importância, pois tais buracos negros eram o elo perdido entre duas famílias de buracos negros bem conhecidas: buracos negros de massa estelar que se formam a partir do colapso de estrelas e buracos negros supermassivos que residem no centro de quase todos os galáxia, incluindo a Via Láctea.
Além disso, essa observação trouxe um enorme desafio. Se o que pensamos que sabemos sobre como as estrelas vivem e morrem estiver correto, o mais pesado dos buracos negros em colisão (85 massas solares) não poderia se formar a partir do colapso de uma estrela no final de sua vida, o que abre um leque de dúvidas e possibilidades sobre suas origens.
Num artigo publicado hoje na Physical Review Letters, uma equipa de cientistas liderada pelo Dr. Juan Calderón Bustillo do Instituto Galego de Física de Altas Energias (IGFAE), centro conjunto da Universidade de Santiago de Compostela e Xunta de Galicia, e o Dr. Nicolás Sanchis-Gual, investigador de pós-doutoramento na Universidade de Aveiro e no Instituto Superior Técnico (Univ. Lisboa), em conjunto com colaboradores da Universidade de Valência, da Universidade Monash e da Universidade Chinesa de Hong Kong, propôs uma explicação alternativa para a origem do sinal GW190521: a colisão de dois objetos exóticos conhecidos como estrelas bóson, que são um dos candidatos mais prováveis para explicar a matéria escura. Em sua análise, a equipe conseguiu estimar a massa de uma nova partícula constituinte dessas estrelas, um bóson ultraleve com uma massa bilhões de vezes menor que os elétrons.
A equipe comparou o sinal GW190521 com simulações de computador de fusões bóson-estrelas e descobriu que isso na verdade explica os dados um pouco melhor do que a análise realizada por LIGO e Virgo. O resultado implica que a fonte teria propriedades diferentes das declaradas anteriormente. O Dr. Calderón Bustillo diz: “Primeiro, não estaríamos mais falando sobre a colisão de buracos negros, o que elimina a questão de lidar com um buraco negro ‘proibido’. Em segundo lugar, porque as fusões de estrelas bóson são muito mais fracas, inferimos uma distância muito mais próxima do que o estimado por LIGO e Virgo. Isso leva a uma massa muito maior para o buraco negro final, de cerca de 250 massas solares, então o fato de termos testemunhado a formação de um buraco negro de massa intermediária permanece verdadeiro.”
Dr. Nicolás Sanchis-Gual diz: “As estrelas do bóson são objetos quase tão compactos quanto os buracos negros, mas, ao contrário deles, não têm uma superfície ‘sem retorno’. Quando colidem, formam uma estrela do bóson que pode se tornar instável, eventualmente colapsando em um buraco negro e produzindo um sinal consistente com o que LIGO e Virgem observaram. Ao contrário das estrelas regulares, que são feitas do que comumente conhecemos como matéria, as estrelas bósons são feitas do que conhecemos como bósons ultraleves. Esses bósons são um só. dos candidatos mais atraentes para constituir o que conhecemos como matéria escura.”
A equipe descobriu que, embora a análise tenda a favorecer a hipótese de buracos negros de fusão, uma fusão de estrela bóson é realmente preferida pelos dados, embora de forma não conclusiva. O Prof. Jose A. Font da Universidade de Valência diz: “Nossos resultados mostram que os dois cenários são quase indistinguíveis, dados os dados, embora a hipótese da estrela bóson exótica seja ligeiramente preferida. Isso é muito excitante, uma vez que nosso modelo estrela bóson é , a partir de agora, muito limitado e sujeito a grandes melhorias. Um modelo mais evoluído pode levar a evidências ainda maiores para este cenário e também nos permitiria estudar observações de ondas gravitacionais anteriores sob a suposição de fusão bóson-estrela.”
Esse resultado envolveria não apenas a primeira observação de estrelas bóson, mas também de seu bloco de construção, uma nova partícula conhecida como bóson ultraleve. O Prof. Carlos Herdeiro da Universidade de Aveiro afirma, “Um dos resultados mais fascinantes é que podemos realmente medir a massa desta suposta nova partícula de matéria escura, e que um valor de zero é descartado com grande confiança. Se confirmado por análise desta e de outras observações de ondas gravitacionais, nosso resultado forneceria a primeira evidência observacional para um candidato de matéria escura há muito procurado.”
Publicado em 25/02/2021 08h57
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