doi.org/10.1007/JHEP08(2024)012
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#Hawking
Buracos negros primordiais podem estar explodindo por todo o universo. Se conseguirmos capturá-los em ação, isso pode abrir portas para novas descobertas na física, sugere um estudo.
Os buracos negros primordiais (PBHs), que provavelmente se formaram logo após o Big Bang, podem estar aquecendo e explodindo em várias partes do universo. Essas explosões, impulsionadas pela radiação de Hawking – um processo quântico em que buracos negros criam partículas a partir do vácuo devido à sua intensa gravidade – podem ser detectadas por telescópios de última geração, afirmam os físicos no novo estudo. Se isso acontecer, essas explosões exóticas podem revelar se o universo contém partículas desconhecidas até agora.
Buracos negros desde o início dos tempos:
Já temos muitas evidências da existência de buracos negros com massas que variam de algumas vezes a massa do Sol até bilhões de vezes a massa do Sol. Esses buracos negros foram detectados através das ondas gravitacionais que emitem durante fusões que ajudam a aumentar sua massa. Alguns buracos negros, como o Sagitário A* da Via Láctea, foram até mesmo fotografados como “sombras” pelo Telescópio do Horizonte de Eventos.
Os PBHs foram propostos em 1967 por Yakov Zeldovich e Igor Novikov e acredita-se que tenham se formado em frações de segundo após o Big Bang, podendo ser tão pequenos quanto partículas subatômicas, segundo a NASA. Diferente de buracos negros maiores, que surgem do colapso de estrelas e galáxias massivas, os PBHs podem ter emergido do colapso de regiões extremamente densas no “caldo primordial” de partículas do universo jovem.
Se eles realmente existem, esses objetos compactos podem explicar a matéria escura, uma substância invisível que compõe cerca de 85% da matéria no universo. No entanto, os PBHs ainda não foram observados diretamente, mesmo que modelos cosmológicos sustentem sua existência teórica.
O efeito da radiação de Hawking:
Um dos aspectos mais interessantes dos PBHs é a conexão com a radiação de Hawking. Segundo a teoria quântica, os buracos negros não são completamente “negros” e podem emitir radiação, perdendo massa gradualmente. Esse fenômeno, teorizado por Stephen Hawking, ocorre quando pares de partículas virtuais surgem e desaparecem no vácuo próximo ao horizonte de eventos de um buraco negro. Normalmente, essas partículas se aniquilam, mas, se uma delas for sugada pelo buraco negro, a outra pode escapar como radiação. Com o tempo, o buraco negro evapora lentamente.
“Para buracos negros com massa maior que algumas vezes a do Sol, a radiação de Hawking é quase impossível de detectar,? explicou Marco Calzà, físico teórico da Universidade de Coimbra, em Portugal, coautor do estudo. “Mas buracos negros mais leves, como os PBHs, seriam muito mais quentes e emitiriam mais radiação, tornando possível detectá-los. Essa radiação pode incluir várias partículas, como fótons, elétrons e neutrinos.”
À medida que o PBH evapora, ele perde massa, se aquece ainda mais e emite radiação em um ciclo contínuo. No final, ele deve explodir em uma poderosa explosão de radiação – algo que telescópios de raios gama e de neutrinos estão tentando observar. Embora nenhuma explosão de PBH tenha sido detectada até agora, o estudo sugere que essas raras explosões poderiam ser a chave para novas descobertas na física.
Explorando os momentos finais de um PBH:
No estudo recente, publicado no *Journal of High Energy Physics*, Calzà e o coautor João G. Rosa, também físico teórico na Universidade de Coimbra, desenvolveram novas formas de estudar PBHs durante suas etapas finais de evaporação. Ao analisar a radiação de Hawking, eles criaram ferramentas para estimar a massa e a rotação de um PBH.
“Acompanhar a massa e a rotação de um PBH enquanto ele evapora pode revelar pistas importantes sobre sua formação e evolução,? disse Rosa.
Esse trabalho tem grandes implicações para a física fundamental. Em um estudo anterior, Rosa, Calzà e John March-Russell, da Universidade de Oxford, investigaram como a teoria das cordas – uma tentativa de unificar as forças fundamentais da natureza em uma teoria quântica única – poderia influenciar um PBH em evaporação. A teoria das cordas prevê partículas chamadas áxions, que não têm rotação. A pesquisa indicou que a emissão de áxions poderia aumentar a rotação de um PBH, contrariando as previsões de Hawking.
“Um PBH em rotação seria uma forte evidência da existência desses áxions exóticos, o que poderia revolucionar nossa compreensão da física de partículas,? disse Calzà.
Além disso, a análise da evolução da massa e da rotação de um PBH em seus momentos finais pode revelar a presença de outras novas partículas. Ao observar o espectro da radiação de Hawking, os cientistas podem distinguir diferentes modelos de física de partículas de alta energia. Telescópios de neutrinos, como o IceCube, podem até ajudar encontrando essas novas partículas quando PBHs explodem no espaço.
“Se conseguirmos detectar apenas um PBH explodindo e medir sua radiação de Hawking, poderemos aprender muito sobre novas partículas e guiar o desenvolvimento de futuros aceleradores de partículas,? afirmou Rosa.
Embora nenhum PBH em explosão tenha sido detectado ainda, as ferramentas e métodos desenvolvidos pela equipe podem preparar o caminho para futuras descobertas. Os pesquisadores destacaram que não é necessário criar experimentos dedicados, pois novos telescópios de raios gama e neutrinos, com uma sensibilidade sem precedentes, já estão em desenvolvimento.
“Se um PBH explodir perto de nós, os telescópios futuros poderão facilmente captá-lo. Se tivermos essa sorte, isso pode mudar tudo o que sabemos sobre as leis fundamentais da natureza,? disse Rosa.”Se pudermos detectar apenas um PBH que esteja explodindo e medir sua radiação, poderemos aprender muito sobre novas partículas e orientar o desenvolvimento de futuros aceleradores de partículas”, disse Rosa.
Embora ainda não tenha sido detectado nenhum PBH que exploda, as ferramentas e os métodos desenvolvidos pela equipe podem abrir caminho para futuras descobertas.
Os pesquisadores observaram que não há necessidade de criar experimentos dedicados, já que novos telescópios de raios gama e de neutrinos com sensibilidade sem precedentes já estão sendo desenvolvidos.”
Se um PBH explodir perto de nós, os futuros telescópios poderão capturá-lo facilmente e, se tivermos sorte, ele poderá mudar tudo o que sabemos sobre as leis fundamentais da natureza”, disse Rosa.
Publicado em 11/11/2024 05h11
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