Os buracos negros comuns há muito foram eliminados da corrida como candidatos à matéria escura, aquela substância misteriosa que parece constituir uma grande proporção da massa em nosso universo, incluindo nossa própria galáxia.
A razão é simples: os buracos negros comuns vêm do colapso das estrelas, o que significa que foram originalmente formados a partir do que é chamado de matéria bariônica, matéria comum. Você é feito de bárions e também os buracos negros.
Nós sabemos, ao estudar como o universo se formou, que a quantidade de matéria que pode vir dos bárions tem um limite superior. Isso vem de um processo chamado nucleossíntese, que é o que cria todos os elementos que vemos no universo.
A maioria dos elementos leves, como Hélio, Lítio e Hidrogênio que vemos no universo hoje, foram formados após o Big Bang, seguindo o que é chamado de período “dominado por radiação”. Com base na densidade de tais elementos que vemos no universo hoje, pode haver apenas certa densidade bárion total que saiu da fornalha cósmica.
Infelizmente, a matéria escura que observamos com base nas medições das taxas de rotação das galáxias, por exemplo, está muito acima desse valor (cerca de 5% do limite superior nos bárions vs. 30% de matéria escura que vemos da gravidade). Para que todas as nossas medições façam sentido, a matéria escura não pode ser feita de material comum, mesmo que esteja escondido dentro de um buraco negro. Na verdade, não há nenhum candidato bariônico sério para matéria escura.
Os buracos negros primordiais (PBHs) podem ter se formado na época do Big Bang antes da nucleossíntese, é claro, dentro do período de radiação. O problema com esses pequeninos é que eles são, bem, pequenos. Por serem pequenos, eles realmente produzem bastante luz na forma de radiação Hawking. A radiação Hawking vem da conversão do espaço-tempo curvo próximo ao horizonte de eventos em luz, basicamente um processo do universo achatando o buraco negro.
A regra é que quanto menor o buraco negro, mais radiação Hawking ele produz. Curiosamente, isso impõe uma grande restrição à quantidade de pequenos buracos negros primordiais que o universo pode conter sem inundar o universo com sua radiação. Infelizmente, todos os modelos padrão de formação inicial de buracos negros sugerem que os pequenos devem ser consideravelmente mais comuns do que os grandes, de modo que os maiores devem ser extremamente raros. Não podemos explicar a matéria escura com isso sem oferecer alguma física adicional para explicar sua distribuição de tamanho fora do padrão.
WIMPS simplesmente não são os mesmos hoje em dia.
Hoje em dia, os candidatos mais fortes para a matéria escura são as Partículas Massivas com Interação Fraca (WIMPs) e alguns outros tipos de partículas, como nêutrons e axions estéreis. Em termos de explicação da observação, a teoria WIMP oferece aos pesquisadores muita liberdade, uma vez que esses tipos de matéria nunca foram observados, e eles não seriam restringidos por considerações de nucleossíntese ou radiação, porque estão interagindo muito fracamente. WIMPs, no entanto, foram originalmente motivados pela física de partículas, especificamente aquela teoria convincente, a supersimetria, que continua a escapar dos experimentos com aceleradores de partículas e torna a teoria das cordas muito mais bonita.
Infelizmente, com tantas das formas mais simples de supersimetria descartadas por experimentos no Large Hadron Collider, a atratividade dos WIMPs diminuiu um pouco. Ele também mudou para outras áreas da física de partículas. Em outras palavras, os WIMPs de hoje não são os WIMPs de 10 anos atrás, eles são muito menos definidos. Eles não são mais naturais.
Além de novas partículas, é claro, existem dezenas de candidatos à matéria escura, desde a superfluidez até modificações da teoria gravitacional. Alguns, como o Modified Newtonian Dynamics (MOND), têm se esforçado para explicar casos incomuns, como o centro de massa estranhamente localizado do Bullet Cluster.
A astrofísica, como toda a física, é um campo dominado por restrições. Você pode sonhar o quanto quiser. Nem toda teoria funciona. O problema é que muitos ainda o fazem. Em algum momento, encontraremos a arma fumegante, o experimentum crucis, e todas as outras cairão. Ainda assim, por enquanto, há espaço para mais.
5D Kaluza-Klein Solitons como Dark Matter
Um candidato que tem recebido pouca atenção são os objetos que só aparecem em espaços-tempos de cinco dimensões. Eles são essencialmente como buracos negros 5D no sentido de que são uma solução estática e esférica simétrica para as equações de Einstein 5D. Estático significa que eles não mudam com o tempo (o que é uma suposição correta para intervalos de tempo humanos em comparação com corpos celestes). Esfericamente simétricos significa que eles são esféricos no espaço 3D.
Eles são geralmente chamados de Kaluza-Klein Solitons ou às vezes apenas solitons. Derivado na década de 1950 com muitas das propriedades físicas exploradas na década de 1980, estas nunca foram observadas (ou pelo menos não foram reconhecidas como tal). Ainda assim, de acordo com o Prof. James Overduin da Towson University, eles oferecem algumas qualidades atraentes quando comparados a outros candidatos.
Espaço 5D explica a teoria quântica
A razão pela qual nos preocupamos com o espaço-tempo 5D é porque a teoria quântica pode ser o resultado de nosso movimento através de uma 5ª dimensão invisível. Se estamos nos movendo em uma 5ª dimensão, então as estruturas do espaço-tempo 5D podem se formar e afetar o espaço-tempo 4D que percebemos sem ser totalmente visíveis.
Solitons são feitos de ondulações na 5ª dimensão
Ao contrário dos buracos negros, que têm singularidades comprimidas em um único ponto no espaço, os solitons são buracos no espaço-tempo. Sua matéria está agrupada ao redor do buraco em uma espécie de nuvem, incapaz de se comprimir mais porque o espaço-tempo literalmente termina.
Solitons são buracos. Mas não são os buracos negros. Tente manter isso claro.
Isso não é a coisa mais estranha sobre os solitons. Em uma teoria 5D do espaço-tempo, chamada de Teoria Kaluza-Klein, não existe matéria per se. Em vez disso, a matéria no espaço-tempo 4D é simplesmente criada a partir de ondulações e curvaturas no espaço-tempo na quinta dimensão. No espaço-tempo 5D, não há nada além de vácuo.
Essas ondulações no espaço-tempo podem assumir muitas das características da matéria porque o eletromagnetismo está incluído na teoria de Kaluza-Klein como gravidade de quinta dimensão. Ou seja, a teoria de Kaluza-Klein é uma fusão da teoria da gravidade de Einstein e do eletromagnetismo.
Sólitons, no entanto, não incluem a parte que interage com o campo eletromagnético. Em vez disso, eles são compostos de ondulações em outro campo na teoria de Kaluza-Klein, um campo escalar (um campo com um número em cada ponto no espaço-tempo). Isso é importante porque eles podem ser candidatos à matéria escura.
Solitons são como nuvens
Os buracos negros são apenas pontos cercados por um espaço vazio. Solitons são nuvens de matéria formadas de ondulações da quinta dimensão. Em 4D a matéria é ultrarelativística, o que significa que se comporta como radiação, em vez de matéria comum, lenta e semelhante a poeira. Assim, um soliton em 4D parece ser um buraco no espaço-tempo rodeado por densa radiação não luminosa com densidade caindo rapidamente (com a distância até a quarta potência) conforme você se afasta do buraco. Ao contrário dos buracos negros, eles não têm horizontes de eventos, por isso estão “nus”.
Se você olhar para os solitons como uma fonte de matéria escura, poderá calcular quantos deles deveria haver em um determinado ano-luz cúbico. Normalmente, calculamos essa densidade como uma fração do fundo de microondas em quadrinhos (CMB), que é a luz que preenche todo o universo e é a luz mais antiga que podemos ver. Com base nesse cálculo, a densidade de solições como matéria escura, se cada indivíduo tivesse a massa de uma galáxia, seria cerca de 100.000 menos densa que a CMB.
Como sabemos se os solitons existem?
O primeiro passo para detectar solitons pode ser tentar mostrar que o universo é de fato um espaço-tempo 5D. Isso requer fazer testes e observações que tentam separar as previsões da teoria 4D de Einstein e a teoria 5D de Kaluza-Klein.
Acontece que isso é muito difícil. Não podemos dizer se corpos esféricos, como estrelas, planetas e luas curvam o espaço-tempo como em um espaço-tempo 5D ou em um espaço-tempo 4D, a menos que estejam girando. Felizmente, a maioria dos corpos celestes gira. Infelizmente, eles não giram muito rápido em comparação com, digamos, a velocidade da luz, então nossas medições têm que ser muito precisas.
O Efeito Geodésico
A teoria 5D difere de 4D no efeito geodésico. Este efeito, previsto pela primeira vez em 1916, mas medido apenas em 2007 graças ao Gravity Probe B, ocorre quando o eixo de rotação de um giroscópio giratório em órbita em torno de um corpo maciço se inclina conforme ele gira em torno dele. A física newtoniana (pré-Einstein) prevê que um giroscópio em órbita alinhará seu eixo de rotação em cada órbita. Einstein’s prevê que não. Este efeito ocorre mesmo quando o corpo maciço não está girando.
A teoria 5D prevê um efeito geodésico menor do que 4D. Atualmente, à margem de erro das medidas dos desvios dos giroscópios de bordo, a Gravity Probe B não pode descartar nenhuma das teorias, mas a teoria 5D precisaria estar próxima a 4D, ou seja, muito plana na 5ª dimensão. Isso, é claro, é consistente com a interpretação quântica em que as ondulações nessa dimensão só se tornam verdadeiramente significativas em escalas quânticas.
O Princípio de Equivalência
De fato, testes como o do princípio da equivalência, que é a equivalência entre a atração gravitacional e a aceleração, impõem fortes restrições ao desvio da planura da quinta dimensão (da ordem de 1 em 100 milhões).
Se uma 5ª dimensão for responsável pela teoria quântica, esperaríamos que essas ondulações (desvios da planura) fossem ainda menores, na ordem do comprimento de Planck (0,0000000000000000000000000000000000000016 metros), que é teorizado como sendo o menor comprimento mensurável. Isso criaria sólidos com densidade muito baixa. As chances de detectar desvios da teoria de Einstein desta forma só podem ser possíveis por meios quânticos, em vez de clássicos.
Publicado em 22/08/2020 09h51
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