Buracos Negros podem fazer a matéria escura brilhar

A Matéria escura que está à beira da morte perto de um buraco negro maciço pode irradiar raios-gama que podem ser visíveis da Terra, de acordo com uma nova pesquisa.

O conceito artístico mostra um buraco negro se alimentando do material de uma estrela próxima. Pesquisadores dizem que a possível matéria escura rodeando em torno de um buraco negro pode irradiar raios gama que podem serem vistos por telescópios. 

A matéria escura é cinco vezes mais abundante no Universo do que a matéria comum, mas não emitem, refletem ou absorvem luz, tornando-se não só escura mas inteiramente transparente. Mas se as partículas de matéria escura em torno de buracos negros podem produzir raios-gama (luz com altas energias), tais emissões dariam aos cientistas uma nova maneira de estudar este material misterioso.

O processo responsável por criar os raios-gama é um pouco ilógico, pois parece desafiar um pressuposto comum: que nada pode escapar de um buraco negro.

Fuga improvável

Jeremy Schnittman é um astrofísico teórico do Goddard Space Flight Center da NASA. Ele está começando um projeto para observar através de dados do telescópio espacial Fermi Gamma-ray por sinais de luz de alta energia em torno da borda de um buraco negro que poderia ter sido criado com matéria escura.

"Estamos apenas começando nesta parte do problema," disse Schnittman. "Como um astrofísico teórico, não fiz muitas análises de dados em minha carreira, por isso exigirá uma certo aprendizado para mim. Mas felizmente estou rodeado de pessoas aqui no Goddard que são verdadeiros peritos com esses dados do Fermi".

A pesquisa do Schnittman para este sinal de matéria escura começou com um programa de computador que ele desenvolve há 10 anos. Modelos em 3D vão traçar os caminhos de partículas a medida que elas atravessarem o espaço perto de um buraco negro Algumas delas chegam perto o suficiente para orbitar em torno do buraco negro ou cair nele. 

Pouco mais de um ano atrás, ele decidiu ajustar o programa para modelar partículas de matéria escura. O vídeo resultante mostra como os bits subatômicos ficam presos na força gravitacional do buraco negro e entram em redemoinho em torno dele, em uma região chamada ergoregião (onde todas as partículas devem orbitar na direção da rotação do buraco negro). Algumas das partículas colidem e destroem umas aos outros (efeito também conhecido como aniquilação), e isso produz um par de raios gama.

Estas partículas de luz normalmente podem cair dentro do buraco negro que ficam indefesas com sua força gravitacional, porém, elas não caem devido a uma coisa chamada Processo de Penrose.

Em 1971, astrofísico Roger Penrose mostrou que se dois fótons são criados muito perto de um buraco negro, é possível que um deles escape, enquanto o outro se cai dentro dele. Isto vai contra a idéia comumente aceita que nada pode escapar de um buraco negro, ou pelo menos nada que passa além do "horizonte de eventos" — o ponto no qual a força gravitacional é tão forte que nada, nem mesmo a luz, pode exercer força suficiente para fugir.

De acordo com o princípio de Penrose, as partículas não são criadas para além deste ponto sem retorno, mas em circunstâncias normais, é improvável que qualquer partícula tenha todos os meios de escapar do buraco negro. Então o processo de Penrose ainda muda o destino de pelo menos uma partícula, dando-lhe uma rota de fuga.

Em 2009, um grupo de pesquisadores mostrou que o processo de Penrose poderia ser aplicado para partículas de matéria escura que aniquilam-se e formam dois raios-gama. Se as partículas de matéria escura estão se aniquilando perto da superfície de um buraco negro, telescópios na Terra poderiam detectar os raios gama em rota de fuga.

Com esses resultados, Schnittman e seus colegas estão agora procurando por este sinal, embora, segundo eles, esse sinal é um pouco fraco em comparação com muitas outras fontes de raios gama. Os pesquisadores estão criando uma lista de galáxias alvo que têm poucas fontes de raios gama e muitos buracos negros.

"Quanto maior o buraco negro, maior o sinal," disse Schnittman. "Ele foi dimensionado de forma que, quando a massa de  seu buraco negro subir para um fator de 10, o sinal esperado vai subir, para algo como um fator de 1.000. 

"O primeiro passo é observar este efeito  e isso  quase certamente não vai render uma deteção real. Mas fornecerá provavelmente o limite superior mais forte neste tipo de processo que jamais foi visto antes — a idéia de reações de partículas de altas energias em matéria escura. Isto é um grande progresso".

Traduzido e adaptado de Space.com