Astrônomos sugerem possível ligação dos buracos negros primordiais com a matéria escura

A matéria escura é uma substância misteriosa que compõe a maior parte do universo material, agora, pensa-se amplamente que ela seja algum tipo de massa de partículas exóticas. Uma visão alternativa intrigante é que a matéria escura é feita de buracos negros formados durante o primeiro segundo da existência do nosso universo, conhecidos como buracos negros primordiais. Agora um cientista da NASA Goddard Space Flight Center em Greenbelt, Maryland, sugere que esta interpretação se alinha com o nosso conhecimento de fundo cósmico de infravermelho e raios-X e pode explicar as inesperadas massas elevadas de buracos negros em fusão detectados no ano passado.

Esquerda: Esta imagem do telescópio espacial Spitzer da NASA mostra uma vista de infravermelhos de uma área do céu na constelação de Ursa Maior. Direita: Depois de mascarar todas as estrelas e galáxias conhecidas e melhorar o que está à esquerda, aparece um fundo com brilho irregular. Este é o fundo infravermelho cósmico (CIB); cores mais claras indicam áreas mais claras. O brilho CIB é mais irregular do que pode ser explicado pela galáxias distantes, e este excesso de estrutura é pensado para ser a luz emitida quando o Universo tinha menos de um bilhão de anos de idade. Os cientistas dizem que ele provavelmente se originou a partir dos primeiros objetos luminosos a se  formarem no universo, que incluem tanto as primeiras estrelas quanto buracos negros.

"Este estudo é um esforço para reunir um amplo conjunto de idéias e observações para testar o quão bem eles se encaixam, e o ajuste é surpreendentemente bom", disse Alexander Kashlinsky, um astrofísico da NASA Goddard. "Se isso for correto, então todas as galáxias, incluindo a nossa, estão embutidas dentro de uma vasta esfera de buracos negros cada um com cerca de 30 vezes a massa do sol." 

Em 2005, Kashlinsky liderou uma equipe de astrônomos da NASA usando o Telescópio Espacial Spitzer para explorar o brilho de luz infravermelha de fundo em uma parte do céu. Os pesquisadores relataram um aumento excessivo no brilho e concluíram que ele provavelmente foi causado pela luz agregada das primeiras fontes que iluminaram o universo a mais de 13 bilhões de anos atrás. Estudos de acompanhamento confirmaram que este fundo infravermelho cósmico (CIB) mostrou-se uma estrutura inesperada semelhante em outras partes do céu.

Em 2013, outro estudo comparou a forma do fundo de raios-X cósmicos (CXB) detectado pela Observatório de Raios-X Chandra da NASA em comparação com o CIB na mesma área do céu. As primeiras estrelas emitiram principalmente luz óptica e ultravioleta, que hoje foi esticada para o infravermelho pela expansão do espaço, de modo que não deve contribuir significativamente para o CXB.

No entanto, o brilho irregular de raios-X de baixa energia no CXB combinava com a patchiness do CIB muito bem. O único objeto que sabemos que podem ser suficientemente luminosa em toda esta vasta gama de energia é um buraco negro. A equipa de investigação concluiu que os buracos negros primordiais devem ter sido abundantes entre as primeiras estrelas, tornando-se, pelo menos, cerca de um em cada cinco das fontes que contribuem para a CIB.

A natureza da matéria escura continua a ser uma das questões pendentes mais importantes da astrofísica. Os cientistas favorecem atualmente modelos teóricos que explicam a matéria escura como uma partícula maciça exótica, mas pesquisas até agora não conseguiram provar se essas partículas hipotéticas realmente existe. NASA está atualmente investigando esta questão como parte de suas missões Alpha Magnetic Spectrometer e Fermi Gamma-ray Space Telescope.

"Esses estudos estão fornecendo resultados cada vez mais sensíveis, encolhendo lentamente a caixa de parâmetros, onde partículas de matéria escura podem se esconder", disse Kashlinsky. "O fracasso em encontrar-las levou ao interesse renovado em estudar o quão bem os buracos negros primordiais - buracos negros formados na primeira fracção de segundo do universo - podem se apresentar como matéria escura."

Os físicos têm descrito várias maneiras em que o universo em rápida expansão quente poderia produzir buracos negros primordiais nos primeiros milésimos de segundo após o Big Bang. Quanto mais velho o universo for, maiores os buracos negros podem ser. E, uma vez que a janela para criá-los dura apenas uma pequena fração do primeiro segundo, os cientistas esperam que os buracos negros primordiais exibiram uma estreita faixa de massas.

Em 14 de setembro, as ondas gravitacionais produzidas por um par de buracos negros que se fundiram a 1,3 bilhões de anos-luz de distância foram  capturadas  pelas instalações do Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) em Hanford, Washington, e Livingston, Louisiana. Este evento marcou a primeira detecção de ondas gravitacionais, bem como a primeira detecção direta de buracos negros. O sinal fornecido pelos cientistas do LIGO informaram que as massas dos buracos negros individuais tinham massa 29 e 36 vezes a do Sol, mais ou menos cerca de quatro massas solares. Estes valores foram inesperadamente grandes e surpreendentemente similares.

"Dependendo do mecanismo, buracos negros primordiais podem ter propriedades muito semelhantes ao que o LIGO detectou", explicou Kashlinsky. "Se assumirmos esse que a LIGO pegou uma fusão de buracos negros formados no início do universo, podemos olhar para as consequências que isso tem sobre a nossa compreensão de como o cosmos, em última análise, evoluiu."

Em seu novo paper, publicado em 24 de maio no The Astrophysical Journal Letters, Kashlinsky analisa o que poderia ter acontecido se a matéria escura consistisse uma população de buracos negros semelhantes aos detectadoss por LIGO. Os buracos negros distorceriam a distribuição de massa no início do universo, adicionando uma pequena flutuação que geraria consequências centenas de milhões de anos mais tarde, quando as primeiras estrelas começassem a se formar.

Durante grande parte dos primeiros 500 milhões de anos do Universo, a matéria normal manteve-se quente demais para se aglutinar e formar as primeiras estrelas. A matéria escura não foi afetada pela alta temperatura, porque, seja qual for a sua natureza, ele interage principalmente por meio de gravidade. Com a agregação pela atração mútua, a matéria escura entrou em colapso pela primeira vez em aglomerados chamados minihalos, o que proporcionou uma semente gravitacional permitindo que a matéria normal se acumula-se. O gás quente entrou em colapso em direção aos minihalos, resultando em bolsões de gás denso o suficiente para cair ainda mais por conta própria para as primeiras estrelas. Kashlinsky mostra que, se os buracos negros desempenharem o papel de matéria escura, este processo ocorreria mais rapidamente e facilmente produziria as granulosidades do CIB detectadas em dados do Spitzer, mesmo que apenas uma pequena fração dos minihalos conseguissem produzir estrelas.

Como o gás cósmico caiu nas minihalos, seus buracos negros constituintes seriam naturalmente capturados por alguns eles. A matéria que cai em direção a um buraco negro aquece e, finalmente, produz raios-X. Juntas, a luz infravermelha a partir das primeiras estrelas e os raios-X a partir do gás caindo em buracos negros de matéria escura poderiam explicar a concordância observada entre o o CIB e o CXB.

Ocasionalmente, alguns buracos negros primordiais vão passar perto o suficiente para serem gravitacionalmente capturados em sistemas binários. Os buracos negros em cada um desses binários vão, ao longo de eras, emitirem radiação gravitacional, perderem energia orbital e em espiral para dentro, em última análise, fundirem-se um buraco negro maior, como o evento observado pela LIGO.

"Futuramente a LIGO vai nos dizer muito mais sobre a população de buracos negros no Universo, e não vai demorar muito para que possamos descobrir se o cenário  de contorno I é suportado ou descartada", disse Kashlinsky.

Kashlinsky lidera a equipe científica centrada em Goddard, que está participando da Agência Espacial Europeia na missão Euclid, que atualmente está programada para ser lançada em 2020. O projeto, chamado Librae , permitirá que o observatório sonde as populações de origem na CIB com alta precisão e determinar o que porção foi produzido por buracos negros.