Os buracos negros são como tubarões. Elegantes, simples, mais assustadores na imaginação popular do que merecem e, possivelmente, espreitando em lugares profundos e escuros ao nosso redor.
Sua própria escuridão torna difícil estimar quantos buracos negros habitam o cosmos e quão grandes eles são. Portanto, foi uma surpresa genuína quando as primeiras ondas gravitacionais vibraram através dos detectores do Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser (LIGO) em setembro de 2015. Anteriormente, os maiores buracos negros do tamanho de uma estrela atingiam cerca de 20 vezes a massa do sol . Esses novos tinham cerca de 30 massas solares cada – não inconcebível, mas estranho. Além disso, uma vez que o LIGO foi ligado e imediatamente começou a ouvir esses tipos de objetos se fundindo, os astrofísicos perceberam que deve haver mais buracos negros à espreita do que eles pensavam. Talvez muito mais.
A descoberta desses estranhos espécimes deu nova vida a uma velha ideia – que havia, nos últimos anos, sido relegada ao segundo plano. Sabemos que estrelas moribundas podem fazer buracos negros. Mas talvez os buracos negros também tenham nascido durante o próprio Big Bang. Uma população oculta de tais buracos negros “primordiais” poderia concebivelmente constituir matéria escura, um polegar oculto na escala cósmica. Afinal, nenhuma partícula de matéria escura se mostrou, apesar de décadas de busca. E se os ingredientes de que realmente precisamos – buracos negros – estivessem sob nossos narizes o tempo todo?
“Sim, foi uma ideia maluca”, disse Marc Kamionkowski, cosmologista da Universidade Johns Hopkins, cujo grupo publicou um dos muitos artigos atraentes que exploraram a possibilidade em 2016. “Mas não era necessariamente mais maluco do que qualquer coisa outro.”
Infelizmente, o flerte com os buracos negros primordiais azedou em 2017, depois que um artigo de Yacine Ali-Haïmoud, um astrofísico da Universidade de Nova York que já havia estado na equipe Kamionkowski otimista, examinou como esse tipo de buraco negro deveria afetar a taxa de detecção do LIGO. Ele calculou que se o universo bebê gerasse buracos negros suficientes para explicar a matéria escura, então, com o tempo, esses buracos negros se estabeleceriam em pares binários, orbitariam um ao outro cada vez mais perto e se fundiriam a taxas milhares de vezes maiores do que as observadas pelo LIGO. Ele pediu a outros pesquisadores que continuem a investigar a ideia usando abordagens alternativas. Mas muitos perderam a esperança. A discussão foi tão contundente que Kamionkowski disse que extinguiu seu próprio interesse na hipótese.
Agora, no entanto, após uma enxurrada de artigos recentes, a ideia primordial do buraco negro parece ter voltado à vida. Em um dos mais recentes, publicado na semana passada no Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, Karsten Jedamzik, cosmologista da Universidade de Montpellier, mostrou como uma grande população de buracos negros primordiais pode resultar em colisões que correspondem perfeitamente ao que o LIGO observa. “Se seus resultados estiverem corretos – e parece um cálculo cuidadoso que ele fez – isso colocaria o último prego no caixão de nosso próprio cálculo”, disse Ali-Haïmoud, que continuou a brincar com a ideia primordial do buraco negro em documentos subsequentes também. “Isso significaria que, na verdade, eles poderiam ser toda a matéria escura.”
“É emocionante”, disse Christian Byrnes, cosmologista da Universidade de Sussex que ajudou a inspirar alguns dos argumentos de Jedamzik. “Ele foi mais longe do que qualquer um antes.”
ideia original remonta à década de 1970 com o trabalho de Stephen Hawking e Bernard Carr. Hawking e Carr raciocinaram que nas primeiras frações de segundo do universo, pequenas flutuações em sua densidade poderiam ter dotado regiões de sorte – ou azar – com muita massa. Cada uma dessas regiões entraria em colapso em um buraco negro. O tamanho do buraco negro seria ditado pelo horizonte da região – a parcela de espaço em torno de qualquer ponto acessível à velocidade da luz. Qualquer matéria dentro do horizonte sentiria a gravidade do buraco negro e cairia nele. Os cálculos aproximados de Hawking mostraram que se os buracos negros fossem maiores do que pequenos asteróides, eles poderiam, plausivelmente, ainda estar espreitando no universo hoje.
Mais progresso veio na década de 1990. Naquela época, os teóricos também tinham a teoria da inflação cósmica, que afirma que o universo experimentou uma explosão de expansão extrema logo após o Big Bang. A inflação poderia explicar de onde teriam vindo as flutuações iniciais de densidade.
Além dessas flutuações de densidade, os físicos também consideraram uma transição fundamental que iria coagir ao longo do colapso.
Quando o universo era novo, toda a sua matéria e energia fervilhavam em um plasma impensavelmente quente. Depois do primeiro centésimo milésimo de segundo ou mais, o universo esfriou um pouco, e os quarks e glúons soltos do plasma puderam se ligar em partículas mais pesadas. Com algumas das partículas ultrarrápidas agora colocadas em camisa de força, a pressão caiu. Isso pode ter ajudado mais regiões a colapsar em buracos negros.
Mas, na década de 1990, ninguém entendia a física de um fluido de quarks e glúons bem o suficiente para fazer previsões precisas sobre como essa transição afetaria a produção de buracos negros. Os teóricos não sabiam dizer quão massivos os buracos negros primordiais deveriam ser, ou quantos esperar.
Além disso, os cosmologistas não pareciam realmente precisar de buracos negros primordiais. Pesquisas astronômicas examinaram trechos do céu na esperança de encontrar um mar de objetos densos e escuros, como buracos negros flutuando nos arredores da Via Láctea, mas não encontraram muitos. Em vez disso, a maioria dos cosmologistas passou a acreditar que a matéria escura era feita de partículas ultra-tímidas chamadas WIMPs. E fervilhava a esperança de que os detectores WIMP de uso específico ou o próximo Grande Colisor de Hádrons encontrassem em breve evidências deles.
Com o problema da matéria escura prestes a se envolver com um arco e nenhuma observação sugerindo o contrário, os buracos negros primordiais se tornaram um retrocesso acadêmico. “Um cosmologista sênior meio que me ridicularizou por trabalhar nisso”, disse Jedamzik, que traça seu próprio interesse na década de 1990. “Então parei com isso, porque precisava ter um cargo permanente.”
Claro, nenhum WIMP foi encontrado nas décadas desde então, nem quaisquer novas partículas (exceto o bóson de Higgs há muito previsto). A matéria escura permanece escura.
Ainda assim, muito mais se sabe hoje sobre o ambiente que poderia ter gerado buracos negros primordiais. Os físicos agora podem calcular como a pressão e a densidade teriam evoluído a partir do plasma quark-gluon no início do universo. “A comunidade levou realmente décadas para resolver isso”, disse Byrnes. Com essas informações em mãos, teóricos como Byrnes e Juan García-Bellido, da Universidade Autônoma de Madrid, passaram os últimos anos publicando estudos prevendo que o universo primitivo poderia ter gerado não apenas um tamanho de buraco negro, mas uma série deles .
Primeiro, os quarks e glúons foram colados em prótons e nêutrons. Isso causou uma queda de pressão e pode ter gerado um conjunto de buracos negros primordiais. À medida que o universo continuou esfriando, partículas como píons se formaram, criando outra queda de pressão e possível explosão de um buraco negro.
Entre essas épocas, o próprio espaço se expandiu. Os primeiros buracos negros podiam sugar cerca de uma massa solar de material do horizonte ao redor deles. A segunda rodada poderia agarrar talvez cerca de 30 massas solares – assim como os objetos estranhos vistos pela primeira vez pelo LIGO. “As ondas gravitacionais vieram em nosso socorro”, disse García-Bellido.
om semanas após o primeiro anúncio da onda gravitacional do LIGO em 2016, a hipótese do buraco negro primordial rugiu de volta à vida. Mas no ano seguinte, Ali-Haïmoud apresentou seu argumento de que os buracos negros primordiais colidiriam com muita frequência, o que deu aos proponentes um grande obstáculo a superar.
Jedamzik aceitou o desafio. Durante longas férias na Costa Rica, ele foi atrás do argumento de Ali-Haïmoud. Ali-Haïmoud havia feito seu trabalho analiticamente, por meio de equações. Mas quando Jedamzik criou simulações numéricas do mesmo problema, ele encontrou uma reviravolta.
Os buracos negros primordiais de fato formariam binários. Mas Jedamzik concluiu que em um universo repleto de buracos negros, um terceiro buraco negro muitas vezes se aproximava do par inicial e trocava de lugar com um deles. Este processo se repetiria continuamente.
Com o tempo, essa mudança de parceiro para parceiro deixaria buracos negros binários com órbitas quase circulares. Esses parceiros seriam incrivelmente lentos para colidir. Mesmo uma enorme população de buracos negros primordiais se fundiria tão raramente que toda a hipótese ainda caberia na taxa de fusão observada do LIGO.
Ele postou seu trabalho online em junho, respondendo a perguntas de especialistas externos como o próprio Ali-Haïmoud. “Foi muito importante convencer a comunidade, tanto quanto possível, de que você não está apenas dizendo alguma bobagem”, disse Jedamzik, usando um termo mais contundente do que “bobagem”.
Ele também construiu um trabalho que previa que os buracos negros primordiais ficariam em aglomerados escuros tão grandes em diâmetro quanto a distância entre o Sol e a estrela mais próxima. Cada um desses aglomerados pode conter cerca de mil buracos negros amontoados. Os gigantes da massa solar de 30 ficariam no centro; os menores mais comuns ocupariam o restante do espaço. Esses aglomerados estariam à espreita em todos os lugares que os astrônomos pensam que está a matéria escura. Como acontece com estrelas em uma galáxia ou planetas girando em torno do Sol, o movimento orbital de cada buraco negro o impediria de devorar outro – exceto durante aquelas fusões incomuns.
Em um segundo artigo, Jedamzik calculou exatamente o quão incomuns essas fusões deveriam ser. Ele fez os cálculos para os grandes buracos negros que o LIGO observou e para os menores, que não foi. (Pequenos buracos negros produziriam sinais fracos e agudos e teriam de estar próximos para serem detectados.) “Fiquei, é claro, surpreso ao ver que um após o outro acertei a taxa”, disse ele.
Os discursos da hipótese do buraco negro primordial ainda têm muito a ser convencido. A maioria dos físicos ainda acredita que a matéria escura é feita de algum tipo de partícula elementar, uma que é diabolicamente difícil de detectar. Além disso, os buracos negros LIGO não são muito diferentes do que esperaríamos se viessem de estrelas comuns. “Isso meio que preenche uma lacuna na teoria que não existe de fato”, disse Carl Rodriguez, um astrofísico da Carnegie Mellon University. “Existem coisas estranhas sobre algumas das fontes LIGO, mas podemos explicar tudo o que vimos até agora através do processo evolutivo estelar normal.”
Selma de Mink, uma astrofísica da Universidade de Harvard que esboçou teorias sobre como as estrelas sozinhas podem produzir os buracos negros pesados binários vistos pelo LIGO, é mais direta: “Acho que os astrônomos podem rir um pouco disso”.
Encontrar apenas um buraco negro de massa sub-solar – o que deveria ser comum, de acordo com o cenário do buraco negro primordial, e que não pode se formar a partir de estrelas – transformaria todo este debate. E com cada execução de observação subsequente, o LIGO aumentou sua sensibilidade, permitindo que ele eventualmente encontre esses pequenos buracos negros ou defina limites estritos sobre quantos podem existir. “Esta não é uma dessas histórias como a teoria das cordas, em que em uma década ou três décadas ainda poderíamos estar discutindo se ela está correta”, disse Byrnes.
Enquanto isso, outros astrofísicos estão investigando diferentes aspectos da teoria. Por exemplo, talvez as maiores restrições aos buracos negros primordiais venham das pesquisas de microlentes – as mesmas pesquisas que começaram na década de 1990. Nesses esforços, os astrônomos monitoram fontes brilhantes, mas distantes, esperando para ver se um objeto escuro passa na frente deles. Essas buscas há muito descartam uma população uniformemente dispersa de pequenos buracos negros.
Mas se os buracos negros primordiais existem em uma variedade de massas, e se eles estão compactados em aglomerados densos e massivos, esses resultados podem ser menos significativos do que os pesquisadores pensaram, disse García-Bellido.
As próximas observações também podem resolver essa questão. A Agência Espacial Europeia concordou recentemente em contribuir com um recurso extra importante para o telescópio espacial Nancy Grace Roman da NASA, que permitiria a realização de estudos inovadores de microlente.
A adição veio a pedido de Günther Hasinger, diretor de ciências da ESA, que argumentou que os buracos negros primordiais poderiam explicar múltiplos mistérios. Para Hasinger, a ideia é atraente porque não invoca novas partículas ou novas teorias da física. Ele apenas reaproveita elementos antigos.
“Acredito que talvez alguns dos quebra-cabeças que ainda estão por aí possam se resolver sozinhos”, disse ele, “quando você olha com olhos diferentes”.
Publicado em 26/09/2020 17h22
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