Os buracos negros estão entre os mistérios mais convincentes do universo. Nada, nem mesmo a luz, pode escapar de um buraco negro. E no centro de quase todas as galáxias há um buraco negro supermassivo que é de milhões a bilhões de vezes mais massivo que o sol. Compreender os buracos negros e como eles se tornam supermassivos pode esclarecer a evolução do universo.
Três físicos do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) desenvolveram recentemente um modelo para explicar a formação de buracos negros supermassivos, bem como a natureza de outro fenômeno: a matéria escura. Em um artigo publicado na Physical Review Letters, os físicos teóricos Hooman Davoudiasl, Peter Denton e Julia Gehrlein descrevem uma transição de fase cosmológica que facilitou a formação de buracos negros supermassivos em um setor escuro do universo.
Uma transição de fase cosmológica é semelhante a um tipo mais familiar de transição de fase: ferver a água. Quando a água atinge a temperatura exata, ela explode em bolhas e vapor. Imagine esse processo ocorrendo com um estado primordial da matéria. Em seguida, inverta o processo para que tenha um efeito de resfriamento e amplie-o na escala do universo.
“Antes da existência das galáxias, o universo era quente e denso, e isso está bem estabelecido. “Podemos prever o que aconteceu com as partículas conhecidas porque elas interagem com frequência. Mas e se houver partículas ainda não conhecidas por aí com um desempenho diferente?”
Para explorar essa questão, a equipe de Brookhaven desenvolveu um modelo para um setor escuro do universo, onde as partículas ainda a serem descobertas abundam e raramente interagem. Entre essas partículas pode estar a matéria escura ultraleve, prevista para ser 28 ordens de magnitude mais leve que um próton. A matéria escura nunca foi observada diretamente, mas os físicos acreditam que ela compõe a maior parte da matéria do universo com base em seus efeitos gravitacionais.
?A frequência de interações entre partículas conhecidas sugere que a matéria, como a conhecemos, não teria colapsado em buracos negros com muita eficiência?, disse Denton. “Mas, se houvesse um setor escuro com matéria escura ultraleve, o universo primitivo poderia ter tido as condições certas para uma forma muito eficiente de colapso.”
Observações recentes sugeriram buracos negros supermassivos formados no início do universo, muito antes do que os físicos pensavam anteriormente. Esta descoberta deixa pouco tempo para explicar o crescimento de buracos negros supermassivos. Os físicos sabem que os buracos negros adquirem massa principalmente por dois meios. Uma maneira, chamada de acreção, é quando a matéria, principalmente poeira, cai em buracos negros. Mas há um limite para a velocidade pela qual a matéria pode se acumular em buracos negros por acreção. A segunda maneira é através de colisões galácticas, durante as quais dois buracos negros podem se fundir; no entanto, no início do universo, as galáxias estavam apenas começando a se formar. Então, os físicos ficaram se perguntando como essas antigas maravilhas cosmológicas cresceram tão rapidamente. Partículas de matéria escura ultraleve podem ser a peça que faltava.
“Nós teorizamos como as partículas no setor escuro podem passar por uma transição de fase que permite que a matéria colapse de forma muito eficiente em buracos negros”, disse Denton. “Quando a temperatura do universo está certa, a pressão pode cair repentinamente para um nível muito baixo, permitindo que a gravidade assuma o controle e a matéria entre em colapso. Nossa compreensão das partículas conhecidas indica que esse processo normalmente não aconteceria.”
Tal transição de fase seria um evento dramático, mesmo para algo tão espetacular quanto o universo.
“Esses colapsos são um grande problema. Eles emitem ondas gravitacionais”, disse Denton. “Essas ondas têm uma forma característica, então fazemos uma previsão para esse sinal e sua faixa de frequência esperada”.
Os atuais experimentos de ondas gravitacionais não são sensíveis o suficiente para validar a teoria, mas os experimentos de próxima geração podem ser capazes de detectar sinais dessas ondas. E com base na forma característica das ondas, os físicos puderam então se aprofundar nos detalhes da formação de buracos negros supermassivos. Até lá, os teóricos de Brookhaven continuarão a avaliar novos dados e refinar seu modelo.
Publicado em 13/03/2022 06h49
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