Bósons ultraleves são partículas hipotéticas cuja massa é estimada em menos de um bilionésimo da massa de um elétron. Eles interagem relativamente pouco com seus arredores e, até agora, escaparam de pesquisas para confirmar sua existência. Se eles existirem, bósons ultraleves, como os axions, provavelmente seriam uma forma de matéria escura, a substância misteriosa e invisível que constitui 85% da matéria no universo.
Agora, os físicos do Laboratório LIGO do MIT pesquisaram bósons ultraleves usando buracos negros – objetos que são de ordens de magnitude mais massivas do que as próprias partículas. De acordo com as previsões da teoria quântica, um buraco negro de certa massa deveria atrair nuvens de bósons ultraleves, que por sua vez deveriam desacelerar coletivamente o spin de um buraco negro. Se as partículas existem, todos os buracos negros de uma massa específica devem ter spins relativamente baixos.
Mas os físicos descobriram que dois buracos negros detectados anteriormente estão girando rápido demais para serem afetados por qualquer bóson ultraleve. Por causa de seus grandes spins, a existência dos buracos negros exclui a existência de bósons ultraleves com massas entre 1,3×10-13 elétronvolts e 2,7×10-13 elétronvolts – cerca de um quintilionésimo da massa de um elétron.
Os resultados da equipe, publicados hoje na Physical Review Letters, estreitam ainda mais a busca por axions e outros bósons ultraleves. O estudo também é o primeiro a usar os spins de buracos negros detectados pelo LIGO e Virgo, e dados de ondas gravitacionais, para procurar matéria escura.
“Existem diferentes tipos de bósons, e nós testamos um”, diz o co-autor Salvatore Vitale, professor assistente de física do MIT. “Pode haver outros, e podemos aplicar essa análise ao crescente conjunto de dados que o LIGO e o Virgo fornecerão nos próximos anos.”
Os co-autores de Vitale são o autor principal Kwan Yeung (Ken) Ng, um estudante de graduação no Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT, junto com pesquisadores da Universidade de Utrecht na Holanda e da Universidade Chinesa de Hong Kong.
A energia de um carrossel
Bósons ultraleves estão sendo pesquisados em uma ampla gama de massas superleves, de 1×10-33 elétronvolts a 1×10-6 elétronvolts. Os cientistas até agora usaram experimentos de mesa e observações astrofísicas para descartar lascas desse amplo espaço de massas possíveis. Desde o início dos anos 2000, os físicos propuseram que os buracos negros poderiam ser outra forma de detectar bósons ultraleves, devido a um efeito conhecido como superradiance.
Se existirem bósons ultraleves, eles poderiam interagir com um buraco negro nas circunstâncias certas. A teoria quântica postula que, em uma escala muito pequena, as partículas não podem ser descritas pela física clássica, ou mesmo como objetos individuais. Essa escala, conhecida como comprimento de onda Compton, é inversamente proporcional à massa da partícula.
Como os bósons ultraleves são excepcionalmente leves, prevê-se que seu comprimento de onda seja excepcionalmente grande. Para uma certa faixa de massa de bósons, seu comprimento de onda pode ser comparável ao tamanho de um buraco negro. Quando isso acontece, espera-se que a superradiância se desenvolva rapidamente. Bósons ultraleves são então criados a partir do vácuo em torno de um buraco negro, em quantidades grandes o suficiente para que as partículas minúsculas coletivamente arrastem o buraco negro e diminuam sua rotação.
“Se você pular para dentro e depois para baixo de um carrossel, pode roubar energia do carrossel”, diz Vitale. “Esses bósons fazem a mesma coisa com um buraco negro.”
Os cientistas acreditam que essa desaceleração do bóson pode ocorrer ao longo de vários milhares de anos – relativamente rápido em escalas de tempo astrofísicas.
“Se bósons existissem, esperaríamos que buracos negros antigos com a massa apropriada não tivessem grandes spins, já que as nuvens de bósons teriam extraído a maior parte deles”, diz Ng. “Isso implica que a descoberta de um buraco negro com grandes spins pode descartar a existência de bósons com certas massas.”
Gire para cima, gire para baixo
Ng e Vitale aplicaram esse raciocínio a medições de buracos negros feitas pelo LIGO, o Observatório de Ondas Gravitacionais de Interferômetro a Laser e seu detector companheiro, Virgo. Os detectores “ouvem” ondas gravitacionais ou reverberações de cataclismos distantes, como buracos negros que se fundem, conhecidos como binários.
Em seu estudo, a equipe examinou todos os 45 binários de buracos negros relatados por LIGO e Virgo até o momento. As massas desses buracos negros – entre 10 e 70 vezes a massa do Sol – indicam que se eles tivessem interagido com bósons ultraleves, as partículas teriam sido entre 1×10-13 elétronvolts e 2×10-11 elétronvolts em massa.
Para cada buraco negro, a equipe calculou o spin que deveria ter se o buraco negro fosse girado para baixo por bósons ultraleves dentro da faixa de massa correspondente. De sua análise, dois buracos negros se destacaram: GW190412 e GW190517. Assim como existe uma velocidade máxima para objetos físicos – a velocidade da luz – existe uma rotação superior na qual os buracos negros podem girar. GW190517 está girando próximo a esse máximo. Os pesquisadores calcularam que, se bósons ultraleves existissem, eles teriam reduzido seu spin por um fator de dois.
“Se eles existissem, essas coisas teriam absorvido muito momento angular”, diz Vitale. “Eles são realmente vampiros.”
Os pesquisadores também levaram em consideração outros cenários possíveis para a geração dos grandes spins dos buracos negros, embora ainda permitindo a existência de bósons ultraleves. Por exemplo, um buraco negro poderia ter sido girado para baixo por bósons, mas posteriormente acelerado novamente por meio de interações com o disco de acreção circundante – um disco de matéria do qual o buraco negro poderia sugar energia e momentum.
“Se você fizer as contas, descobrirá que leva muito tempo para girar um buraco negro até o nível que vemos aqui”, diz Ng. “Portanto, podemos ignorar com segurança esse efeito de spin-up.”
Em outras palavras, é improvável que os altos spins dos buracos negros se devam a um cenário alternativo em que bósons ultraleves também existam. Dadas as massas e altos spins de ambos os buracos negros, os pesquisadores conseguiram descartar a existência de bósons ultraleves com massas entre 1,3×10-13 elétronvolts e 2,7×10-13 elétronvolts.
“Basicamente, excluímos alguns tipos de bósons nessa faixa de massa”, diz Vitale. “Este trabalho também mostra como as detecções de ondas gravitacionais podem contribuir para pesquisas por partículas elementares.”
Publicado em 16/04/2021 00h35
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