Explosões ao redor de buracos negros podem ajudar a desvendar matéria escura

Explosões ao redor de buracos negros podem ajudar a desvendar matéria escura

Por Daniele Cavalcante | 16 de Dezembro de 2020 às 21h00
NASA/JPL-Caltech

Durante quatro décadas, os cientistas têm buscado encontrar evidências de uma partícula hipotética chamada axion, que poderia ser o misterioso componente da matéria escura. Há pouco mais de um ano, uma equipe encontrou algo que poderia ser uma pista para a descoberta dos áxions, e agora um novo estudo sugere uma maneira de detectá-los — mas isso só poderá ser feito com instrumentos de próxima geração.

A matéria escura é invisível porque não interage de modo algum com a luz e não emite nenhum tipo de radiação. Ela também não interage com outras matérias senão através da gravidade. Felizmente, a força gravitacional observada no universo indica que essa matéria está em toda a parte, e tem um papel importante na evolução das galáxias. Mas do que ela é feita? Há algumas partículas hipotéticas, mas parece que nenhuma delas é tão investigada quanto o áxion.

Simulação de mapa da matéria escura (Imagem: Reprodução/Tom Abel/Ralf Kaehler/AMNH)

Acontece que se o áxion é a partícula que forma a matéria escura, também será impossível detectá-la através dos métodos tradicionais. O único jeito de provar que ela existe, é através de uma interação gravitacional muito específica. Mas não podemos simplesmente pegar um pouco de matéria escura para tentar fazer essa análise. Por isso, os autores do novo estudo tiveram uma ideia de onde procurar: nos arredores de buracos negros.

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De acordo com essa hipótese, o áxion pode se acumular ao redor de buracos negros e disparar um mecanismo exótico que o faz explodir, emitindo ondas gravitacionais. Se essas ondas puderem ser detectadas, estaremos mais perto de comprovar a existência dessa partícula e, portanto, de compreender a matéria escura.

Mas como seria esse mecanismo em volta dos buracos negros? Bem, para que os áxions se comportem como partículas formadoras da matéria escura, eles precisam ser muito leves, leves o suficiente para estarem presentes em todo o universo — afinal, sabe-se que a matéria escura é responsável por cerca de 80% ou mais de toda a matéria do cosmos. Se ele for mesmo tão leve, pode ser que eles interajam com os buracos negros de modo, digamos, explosivo.

Se observarmos um buraco negro giratório, perceberemos que ele arrasta o espaço-tempo consigo durante seu movimento de rotação. Isso acabaria por transferir energia da rotação do buraco negro para qualquer material circundante, incluindo a matéria escura que estiver ali por perto. E se a matéria escura for mesmo feita de partículas ultralevers, como é o caso dos áxions, o processo poderia desencadear algo chamado “instabilidade superradiante”.

Mapa criado a partir da observação de meio milhão de galáxias através do telescópio Hubble e dados de alguns telescópios terrestres, revelando onde a matéria escura esteria (Imagem: Reprodução/NASA/ESA/R. Massey)

Essa instabilidade produz algo que se pareceria com uma explosão, caso houvesse luz, calor, ou algum outro tipo de radiação. Mas não é o caso, porque a matéria escura não emite nenhuma dessas coisas. O que possivelmente acontece, portanto, é um agrupamento de áxions em torno dos buracos negros em uma configuração específica. Com isso, as rotações poderiam liberar uma quantidade enorme de ondas gravitacionais.

Previstas por Albert Einstein na Teoria da Relatividade Geral, as ondas gravitacionais se espalham por todo o universo. A primeira detecção de uma onda gravitacional só aconteceu em 2016, quando os cientistas conseguiram encontrar sinais de uma colisão entre dois buracos negros. Quando um impacto desse tipo acontece, uma enorme quantidade de energia é liberada e ondas de choque são produzidas no tecido do espaço-tempo, mais ou menos como as ondulações que aparecem nas águas calmas de um ao jogarmos uma pedra. É algo desse tipo que os autores do novo artigo esperam que aconteça quando a matéria escura interage com buracos negros.

A boa notícia é que já detectamos ondas gravitacionais com instrumentos como LIGO e VIRGO. A má notícia é que essas detecções foram resultados de alguns dos eventos mais cataclísmicos do universo: a colisão entre buracos negros ou estrelas de nêutrons. Comparadas com esses eventos, as ondas gravitacionais geradas por áxions — se existirem — seriam bastante silenciosas. Por isso, mesmo que a ideia do novo estudo esteja correta, ainda será necessário esperar por instrumentos mais sensíveis.

Até o momento, não há evidências de pequenas ondas geradas por interações explosivas entre áxions e buracos negros. Entretanto, a próxima geração de detectores de ondas gravitacionais terá instrumentos ainda mais sensíveis, talvez possibilitando a descoberta de explosões gravitacionais que denunciem os áxions, ou qualquer que seja a partícula que forma a matéria escura. Até lá, os cientistas já trabalham em modelos computacionais para saber o que, como e onde procurar.

Fonte: Space.com

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