Buracos negros primordiais são um dos candidatos mais fortes para a matéria escura do Universo. Neste cenário, sua abundância seria grande o suficiente para que pelo menos um objeto cruzasse o Sistema Solar interno por década. Um sobrevoo como este introduziria uma oscilação na órbita de Marte, a um grau que a tecnologia de hoje poderia realmente detectar, de acordo com uma equipe de físicos do MIT.
Tran e outros. argumentam que a abundância de buracos negros primordiais com massa de asteroide pode plausivelmente ser sondada por dados existentes e de um futuro próximo. Crédito da imagem: Sci.News / Zdeněk Bardon / ESO.
A matéria escura é uma forma hipotética de matéria que é invisível em todo o espectro eletromagnético, mas acredita-se que permeia o Universo e exerce uma força gravitacional grande o suficiente para afetar o movimento de estrelas e galáxias.
Físicos ergueram detectores na Terra para tentar localizar a matéria escura e fixar suas propriedades. Na maioria das vezes, esses experimentos assumem que a matéria escura existe como uma forma de partícula exótica que pode se espalhar e decair em partículas observáveis à medida que passa por um determinado experimento. Mas até agora, essas buscas baseadas em partículas não deram em nada.
Nos últimos anos, outra possibilidade, introduzida pela primeira vez na década de 1970, voltou a ganhar força: em vez de assumir a forma de uma partícula, a matéria escura poderia existir como buracos negros primordiais microscópicos que se formaram nos primeiros momentos após o Big Bang.
Ao contrário dos buracos negros astrofísicos que se formam a partir do colapso de estrelas antigas, os buracos negros primordiais teriam se formado a partir do colapso de densos bolsões de gás no Universo primitivo e teriam se espalhado pelo cosmos à medida que o Universo se expandia e esfriava.
Esses buracos negros primordiais teriam colapsado uma enorme quantidade de massa em um espaço minúsculo.
A maioria desses buracos negros primordiais pode ser tão pequena quanto um único átomo e tão pesada quanto os maiores asteroides.
Seria concebível, então, que esses gigantes minúsculos pudessem exercer uma força gravitacional capaz de explicar pelo menos uma parte da matéria escura.
Para o estudo, os pesquisadores do MIT geraram uma simulação relativamente simples do nosso Sistema Solar que incorpora as órbitas e interações gravitacionais entre todos os planetas e algumas das maiores luas.
“As simulações de última geração do Sistema Solar incluem mais de um milhão de objetos, cada um dos quais tem um pequeno efeito residual”, disse o Dr. Benjamin Lehmann, coautor do estudar publicado no jornal Revisão Física D.
“Mas mesmo modelando duas dúzias de objetos em uma simulação cuidadosa, pudemos ver que havia um efeito real no qual poderíamos nos aprofundar.”
A equipe calculou a taxa na qual um buraco negro primordial deveria passar pelo Sistema Solar, com base na quantidade de matéria escura que se estima residir em uma determinada região do espaço e na massa de um buraco negro que passa, que neste caso, eles presumiram ser tão massiva quanto os maiores asteroides do Sistema Solar, o que é consistente com outras restrições astrofísicas.
“Buracos negros primordiais não vivem no Sistema Solar. Em vez disso, eles estão fluindo pelo Universo, fazendo suas próprias coisas”, disse a Dra. Sarah Geller, coautora do estudo.
“E a probabilidade é que eles estejam passando pelo Sistema Solar interno em algum ângulo uma vez a cada 10 anos ou mais.”
Dada essa taxa, os pesquisadores simularam vários buracos negros com massa de asteroide voando pelo Sistema Solar, de vários ângulos e a velocidades de cerca de 241 km (150 milhas) por segundo.
Eles se concentraram naqueles voos rasantes que pareciam ser encontros próximos ou ocorrências que causavam algum tipo de efeito em objetos ao redor.
Eles rapidamente descobriram que qualquer efeito na Terra ou na Lua era muito incerto para ser atribuído a um buraco negro em particular. Mas Marte parecia oferecer uma imagem mais clara.
Os autores descobriram que se um buraco negro primordial passasse a algumas centenas de milhões de km de Marte, o encontro provocaria uma oscilação, ou um ligeiro desvio na órbita de Marte.
Dentro de alguns anos após esse encontro, a órbita de Marte deve mudar em cerca de um metro — uma oscilação incrivelmente pequena, considerando que o planeta está a mais de 225 milhões de km (140 milhões de milhas) da Terra.
E, no entanto, essa oscilação pôde ser detectada pelos vários instrumentos de alta precisão que monitoram Marte hoje.
Se tal oscilação fosse detectada nas próximas décadas, os cientistas reconhecem que ainda haveria muito trabalho necessário para confirmar que o impulso veio de um buraco negro passageiro e não de um asteroide comum.
“Precisamos de tanta clareza quanto possível sobre os cenários esperados, como as velocidades e distribuições típicas de rochas espaciais perfurantes, em comparação com esses buracos negros primordiais”, disse o professor do MIT David Kaiser, autor sênior do estudo.
“Felizmente para nós, os astrônomos têm rastreado rochas espaciais comuns por décadas enquanto elas voam pelo nosso Sistema Solar, então pudemos calcular propriedades típicas de suas trajetórias e começar a compará-las com os tipos muito diferentes de caminhos e velocidades que os buracos negros primordiais devem seguir.”
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Tung X. Tran e outros. 2024. Encontros próximos do tipo primordial: um novo observável para buracos negros primordiais como matéria escura. Física Rev. D 110 (6): 063533; doi: 10.1103/PhysRevD.110.063533
Este artigo é baseado em um comunicado de imprensa do MIT.
