Buracos negros supermassivos podem ser feitos de matéria escura

A formação de buracos negros supermassivos no início do universo pode estar diretamente relacionada à matéria escura, segundo um novo estudo. Físicos teóricos do Laboratório Nacional de Brookhaven desenvolveram um modelo para explicar como esses gigantes primordiais teriam sido formados por partículas ultraleves e, até agora, indetectáveis.

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Existem dois tipos de buracos negros: os de tamanho estelar, formados com o colapso de uma estrela massiva, e os supermassivos (ou SMBHs, da sigla em inglês), cuja origem é desconhecida. Os SMBHs provavelmente estão presentes no centro de cada galáxia do universo.

Outro problema é que os SMBHs mais antigos observados são muito velhos, ou melhor, se formaram muito cedo, em uma época em que o universo ainda não conseguia formar buracos negros pelos mecanismos que os cientistas conhecem. Com a frequência de interações entre partículas conhecidas, a matéria não colapsaria em grandes buracos negros com muita eficiência.

Por sua vez, a matéria escura é ainda mais misteriosa, já que não interage com a matéria “comum” senão por meio da gravidade. Com isso, os astrônomos podem apenas pressupor que a matéria escura existe porque existe algo no halo das galáxias mantendo-as em seus formatos atuais.

Ninguém sabe quais são as partículas que compõem a matéria escura, mas há algumas candidatas. Entre elas, a hipotética partícula conhecida como áxion ultraleve. Embora ninguém ainda tenha provado que ela existe, pode ser que elas expliquem esse mistério.

Uma das características dos áxions é a baixa massa — os modelos sugerem que eles seriam 28 ordens de magnitude mais leves que os prótons. Se isso for verdade, pode ser que eles tenham sido responsáveis pelo surgimento dos SMBHs.

Para mostrar como isso seria possível, os autores do novo estudo desenvolveram um modelo para descrever um setor “escuro” do universo, isto é, ocupado por matéria não bariônica. Nele, as partículas ainda desconhecidas pela ciência seriam abundantes e raramente poderiam interagir entre si.

De acordo com os autores do estudo, todas essas questões sem respostas poderiam ser resolvidas se houvesse um “setor escuro” com áxions ultraleves no universo primitivo. As condições poderiam, então, ser adequadas para “uma forma muito eficiente de colapso”, escreveram.

Com a interação de áxions ultraleves, não só a matéria escura seria explicada, mas também o crescimento de buracos negros supermassivos. “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 Peter Denton, um dos autores da pesquisa.

O processo de colapso seria semelhante ao atual, que forma buracos negros de massa estelar. Com o esfriamento do universo, gravidade assume o controle em aglomerados de partículas, enquanto a pressão interna diminui. Assim, a matéria colapsa sobre si mesma.

Porém, naquele contexto do universo primordial, as partículas conhecidas não poderiam passar por esse processo. Mas para os áxions ultraleves, a história seria diferente. Ainda não há como comprovar a ideia, mas os autores do estudo sugerem que as ondas gravitacionais desse evento podem ser detectadas.

Infelizmente, ainda não existem detectores capazes de encontrar ondas gravitacionais de colapsos no início do universo, mas os futuros instrumentos podem mudar esse cenário. E, com base na forma das ondas, os físicos poderão se aprofundar nos detalhes da formação de buracos negros supermassivos.

O novo artigo foi publicado na Physical Review Letters.

Fonte: Physical Review Letters; via: Sci-news