O próximo Telescópio Espacial Romano pode revelar uma nova classe de buracos negros “pesados”, desafiando as teorias existentes sobre a formação de buracos negros. Estes buracos negros com a massa da Terra, se encontrados, poderão ter implicações significativas para o nosso conhecimento do universo primitivo e da natureza da matéria escura. Crédito: Goddard Space Flight Center da NASA
NASANancy Grace Telescópio Espacial Romano pode revelar buracos negros “pesos de pena” anteriormente não detectados com massas semelhantes à da Terra. Estes buracos negros primordiais, formados no Universo primitivo, poderiam ter um impacto significativo na nossa compreensão da astronomia e da física de partículas, explicando potencialmente parte da matéria escura no Universo.
Os astrónomos descobriram buracos negros que variam desde algumas vezes a massa do Sol até dezenas de milhares de milhões. Agora, um grupo de cientistas previu que o Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da NASA poderia encontrar uma classe de buracos negros do “peso de uma pena” que até agora escapou à detecção.
Hoje, os buracos negros se formam quando uma estrela massiva entra em colapso ou quando objetos pesados se fundem. No entanto, os cientistas suspeitam que buracos negros “primordiais” mais pequenos, incluindo alguns com massas semelhantes à da Terra, poderão ter-se formado nos primeiros momentos caóticos do Universo primitivo.
“Detectar uma população de buracos negros primordiais com a massa da Terra seria um passo incrível tanto para a astronomia quanto para a física de partículas, porque esses objetos não podem ser formados por nenhum processo físico conhecido”, disse William DeRocco, pesquisador de pós-doutorado na Universidade da Califórnia em Santa Cruz. Cruz, que liderou um estudo sobre como Roman poderia revelá-los. Um artigo descrevendo os resultados foi publicado na revista Revisão Física D. “Se os encontrarmos, isso irá abalar o campo da física teórica.”
A descoberta de buracos negros primordiais com a massa da Terra com o Telescópio Espacial Romano da NASA poderia transformar a nossa compreensão do universo e da matéria escura. Crédito: Goddard Space Flight Center da NASA
Receita Primordial do Buraco Negro
Os menores buracos negros que se formam hoje em dia nascem quando uma estrela massiva fica sem combustível. A sua pressão externa diminui à medida que a fusão nuclear diminui, de modo que a atração gravitacional interna vence o cabo de guerra. A estrela se contrai e pode ficar tão densa que se torna uma buraco negro.
Mas é necessária uma massa mínima: pelo menos oito vezes a do nosso Sol. Estrelas mais leves se tornarão anãs brancas ou estrelas de nêutrons.
As condições no universo primitivo, no entanto, podem ter permitido a formação de buracos negros muito mais leves. Alguém que pesasse a massa da Terra teria um horizonte de eventos – o ponto sem retorno para objetos em queda – quase tão largo quanto uma moeda de dez centavos dos EUA.
No momento em que o Universo estava a nascer, os cientistas pensam que este passou por uma fase breve mas intensa, conhecida como inflação, quando o espaço se expandiu mais rapidamente do que a velocidade da luz. Nestas condições especiais, áreas que eram mais densas do que os seus arredores podem ter colapsado para formar buracos negros primordiais de baixa massa.
Embora a teoria preveja que os mais pequenos devam evaporar antes de o Universo atingir a sua idade atual, aqueles com massas semelhantes à da Terra poderiam ter sobrevivido.
A descoberta desses pequenos objetos teria um enorme impacto na física e na astronomia.
“Isso afetaria tudo, desde a formação de galáxias até o conteúdo de matéria escura do universo e a história cósmica”, disse Kailash Sahu, astrônomo do Instituto de Ciência do Telescópio Espacial em Baltimore, que não esteve envolvido no estudo. “Confirmar as suas identidades será um trabalho árduo e os astrónomos precisarão de muito convencimento, mas valeria bem a pena.”
Stephen Hawking teorizou que os buracos negros podem diminuir lentamente à medida que a radiação escapa. O lento vazamento do que hoje é conhecido como radiação Hawking, com o tempo, faria com que o buraco negro simplesmente evaporasse. Este infográfico mostra os tempos de vida estimados e o horizonte de eventos –– o ponto além do qual os objetos em queda não conseguem escapar do controle gravitacional de um buraco negro –– diâmetros para buracos negros de várias massas pequenas. Crédito: Goddard Space Flight Center da NASA
Dicas de Homesteaders Ocultos
As observações já revelaram pistas de que tais objetos podem estar à espreita na nossa galáxia. Os buracos negros primordiais seriam invisíveis, mas as rugas no espaço-tempo ajudaram a identificar alguns possíveis suspeitos.
Microlente é um efeito observacional que ocorre porque a presença de massa distorce a estrutura do espaço-tempo, como a impressão que uma bola de boliche deixa quando colocada em um trampolim. Sempre que um objeto interveniente parece aproximar-se de uma estrela de fundo a partir do nosso ponto de vista, a luz da estrela deve atravessar o espaço-tempo distorcido em torno do objeto. Se o alinhamento for especialmente próximo, o objeto pode atuar como uma lente natural, focando e amplificando a luz da estrela de fundo.
Grupos separados de astrônomos usando dados do MOA (Microlensing Observations in Astrophysics) – uma colaboração que conduz observações de microlentes usando o Observatório da Universidade Mount John na Nova Zelândia –– e OGLE (o Optical Gravitational Lensing Experiment) descobriram uma população inesperadamente grande de objetos isolados da massa da Terra.
As teorias de formação e evolução de planetas preveem certas massas e abundâncias de planetas rebeldes – mundos vagando pela galáxia, livres de uma estrela. As observações MOA e OGLE sugerem que há mais objetos com a massa da Terra à deriva pela galáxia do que os modelos prevêem.
O conceito deste artista adota uma abordagem fantasiosa para imaginar pequenos buracos negros primordiais. Na realidade, esses pequenos buracos negros teriam dificuldade em formar os discos de acreção que os tornam visíveis aqui. Crédito: Goddard Space Flight Center da NASA
“Não há como distinguir entre buracos negros com a massa da Terra e planetas rebeldes, caso a caso”, disse DeRocco. Mas os cientistas esperam que Roman encontre 10 vezes mais objetos nesta faixa de massa do que os telescópios terrestres. “Roman será extremamente poderoso na diferenciação estatística entre os dois.”
DeRocco liderou um esforço para determinar quantos planetas rebeldes deveriam estar nessa faixa de massa e quantos buracos negros primordiais Roman poderia discernir entre eles.
Encontrar buracos negros primordiais revelaria novas informações sobre o universo primitivo e sugeriria fortemente que realmente ocorreu um período inicial de inflação. Também poderia explicar uma pequena percentagem da misteriosa matéria escura que os cientistas dizem constituir a maior parte da massa do nosso Universo, mas que até agora não conseguiram identificar.
“Este é um exemplo interessante de algo que mais cientistas poderiam fazer com os dados que Roman já vai obter enquanto procura planetas”, disse Sahu. “E os resultados são interessantes, quer os cientistas encontrem ou não evidências de que existem buracos negros com a massa da Terra. Em ambos os casos, fortaleceria nossa compreensão do universo.”
Referência: “Revelando buracos negros primordiais de massa terrestre com o Telescópio Espacial Nancy Grace Roman” por William DeRocco, Evan Frangipane, Nick Hamer, Stefano Profumo e Nolan Smyth, 8 de janeiro de 2024, Revisão Física D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.109.023013
O Telescópio Espacial Nancy Grace Roman é gerenciado no Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, com a participação do Jet Propulsion Laboratory da NASA e do Caltech/IPAC no sul da Califórnia, do Space Telescope Science Institute em Baltimore e de uma equipe científica composta por cientistas de vários instituições de pesquisa. Os principais parceiros industriais são BAE Systems, Inc em Boulder, Colorado; L3Harris Technologies em Rochester, Nova York; e Teledyne Scientific & Imaging em Thousand Oaks, Califórnia.
