Pesquisadores associaram supermassivos buraco negro fusões com interações de matéria escura, potencialmente resolvendo um antigo problema astronômico e oferecendo novos insights sobre a natureza da matéria escura e seu papel no cosmos.
Pesquisadores descobriram uma ligação entre alguns dos maiores e menores objetos do cosmos: buracos negros supermassivos e partículas de matéria escura.
Os seus novos cálculos revelam que pares de buracos negros supermassivos (SMBHs) podem fundir-se num único buraco negro maior devido ao comportamento anteriormente ignorado das partículas de matéria escura, propondo uma solução para o antigo “problema final”. parsec “problema” em astronomia.
A pesquisa é descrita em um estudo publicado recentemente na revista Cartas de revisão física.
Resolvendo o problema final do Parsec
Em 2023, os astrofísicos anunciaram a detecção de um “zumbido” de ondas gravitacionais permeando o universo. Eles levantaram a hipótese de que esse sinal de fundo emanava de milhões de pares de SMBHs em fusão, cada um bilhões de vezes mais massivo que o nosso Sol.
No entanto, simulações teóricas mostraram que, à medida que pares desses gigantescos objetos celestes se aproximam, sua aproximação é interrompida quando eles estão a aproximadamente um parsec de distância — uma distância de cerca de três anos-luz — impedindo assim uma fusão.
Simulação da luz emitida por um sistema binário de buraco negro supermassivo onde o gás circundante é opticamente fino (transparente). Visto de uma inclinação de 72 graus, ou parcialmente angulado acima do plano do disco. A luz emitida representa todos os comprimentos de onda. Crédito: NASAGoddard Space Flight Center/Scott Noble; dados de simulação, d’Ascoli et al. 2018
Esse “problema do parsec final” não só entrava em conflito com a teoria de que a fusão de SMBHs era a fonte da onda gravitacional de fundo, como também estava em desacordo com a teoria de que os SMBHs crescem a partir da fusão de buracos negros menos massivos.
“Mostramos que incluir o efeito previamente negligenciado da matéria escura pode ajudar buracos negros supermassivos a superar esse parsec final de separação e coalescer”, diz o coautor do artigo Gonzalo Alonso-Álvarez, um pesquisador de pós-doutorado no Departamento de Física da Universidade de Toronto e no Departamento de Física e Instituto Espacial Trottier da Universidade McGill. “Nossos cálculos explicam como isso pode ocorrer, em contraste com o que se pensava anteriormente.”
Os coautores do artigo incluem o Professor James Cline da Universidade McGill e o CERN Departamento de Física Teórica na Suíça e Caitlyn Dewar, aluna de mestrado em física na McGill.
O papel da matéria escura nas fusões de buracos negros
Acredita-se que SMBHs estejam no centro da maioria das galáxias e quando duas galáxias colidem, as SMBHs entram em órbita uma em torno da outra. À medida que giram uma em torno da outra, a atração gravitacional de estrelas próximas as puxa e as desacelera. Como resultado, as SMBHs espiralam para dentro em direção a uma fusão.
Modelos de fusão anteriores mostraram que quando os SMBHs se aproximavam de aproximadamente um parsec, eles começavam a interagir com a nuvem de matéria escura ou halo no qual estavam inseridos. Eles indicaram que a gravidade dos SMBHs em espiral joga as partículas de matéria escura para longe do sistema e a escassez resultante de matéria escura significa que a energia não é extraída do par e suas órbitas mútuas não encolhem mais.
Enquanto esses modelos rejeitaram o impacto da matéria escura nas órbitas do SMBH, o novo modelo de Alonso-Álvarez e seus colegas revela que as partículas de matéria escura interagem entre si de tal forma que não são dispersas. A densidade do halo de matéria escura permanece alta o suficiente para que as interações entre as partículas e os SMBHs continuem a degradar as órbitas do SMBH, abrindo caminho para uma fusão.
Implicações para ondas gravitacionais e matéria escura
“A possibilidade de que partículas de matéria escura interajam umas com as outras é uma suposição que fizemos, um ingrediente extra que nem todos os modelos de matéria escura contêm”, diz Alonso-Álvarez. “Nosso argumento é que apenas modelos com esse ingrediente podem resolver o problema final do parsec.”
O zumbido de fundo gerado por essas colisões cósmicas colossais é composto por ondas gravitacionais de comprimento de onda muito maior do que aquelas detectado pela primeira vez em 2015 por astrofísicos que operam o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser (LIGO). Essas ondas gravitacionais foram geradas pela fusão de dois buracos negros, ambos com cerca de 30 vezes a massa do Sol.
O zumbido de fundo foi detectado nos últimos anos por cientistas que operam o Pulsar Timing Array. O array revela ondas gravitacionais medindo variações mínimas em sinais de pulsares, estrelas de nêutrons de rotação rápida que emitem fortes pulsos de rádio.
“Uma previsão da nossa proposta é que o espectro de ondas gravitacionais observadas por pulsar matrizes de tempo devem ser suavizadas em baixas frequências”, diz Cline. “Os dados atuais já sugerem esse comportamento, e novos dados podem ser capazes de confirmá-lo nos próximos anos.”
Além de fornecer informações sobre as fusões SBMH e o sinal de fundo da onda gravitacional, o novo resultado também fornece uma janela para a natureza da matéria escura.
“Nosso trabalho é uma nova maneira de nos ajudar a entender a natureza de partículas da matéria escura”, diz Alonso-Álvarez. “Descobrimos que a evolução das órbitas dos buracos negros é muito sensível à microfísica da matéria escura e isso significa que podemos usar observações de fusões de buracos negros supermassivos para entender melhor essas partículas.”
Por exemplo, os pesquisadores descobriram que as interações entre partículas de matéria escura que eles modelaram também explicam as formas dos halos de matéria escura galáctica.
“Descobrimos que o problema final do parsec só pode ser resolvido se as partículas de matéria escura interagirem a uma taxa que possa alterar a distribuição da matéria escura em escalas galácticas”, diz Alonso-Álvarez. “Isso foi inesperado, pois as escalas físicas nas quais os processos ocorrem estão separadas por três ou mais ordens de magnitude. Isso é emocionante.”
Referência: “Self-Interacting Dark Matter Solves the Final Parsec Problem of Supermassive Black Hole Mergers” por Gonzalo Alonso-Álvarez, James M. Cline e Caitlyn Dewar, 9 de julho de 2024, Cartas de revisão física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.021401
O estudo foi financiado pelo Conselho de Pesquisa em Ciências Naturais e Engenharia do Canadá.