Quando os astrofísicos observam o cosmos, eles veem diferentes tipos de buracos negros. Eles variam de buracos negros supermassivos gigantescos com bilhões de massas solares a buracos negros de massa intermediária (IMBHs) difíceis de encontrar, até buracos negros menores de massa estelar.
Mas pode haver outra classe destes objetos: buracos negros primordiais (PBHs) que se formaram no Universo primitivo. Se existirem, o Telescópio Espacial Nancy Grace Roman deverá ser capaz de localizá-los.
Buracos negros de massa estelar se formam quando estrelas massivas explodem como supernovas. Os SMBHs crescem ao longo do tempo, fundindo-se com outros buracos negros. A forma como os IMBHs se formam ainda não está clara, mas pode envolver fusões entre buracos negros de massa estelar ou múltiplas colisões estelares em aglomerados estelares densos.
Os buracos negros primordiais, se existirem, não tinham nenhum desses mecanismos à sua disposição.
“Se os encontrarmos, isso irá abalar o campo da física teórica.”
William DeRocco, pesquisador de pós-doutorado, Universidade da Califórnia em Santa Cruz.
Ninguém sabe se existem buracos negros primordiais. Eles são teóricos. Nenhum processo físico que conhecemos pode formá-los. Mas o Universo primitivo era muito diferente.
Uma nova pesquisa publicada na Physical Review D mostra como o próximo Telescópio Romano Nancy Grace poderia detectar esses objetos primordiais da massa da Terra. É intitulado “Revelando buracos negros primordiais de massa terrestre com o Telescópio Espacial Nancy Grace Roman.” O autor principal é William DeRocco, pesquisador de pós-doutorado na Universidade da Califórnia em Santa Cruz.
“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 o autor principal, DeRocco. “Se os encontrarmos, isso irá abalar o campo da física teórica.”
No Universo moderno, apenas estrelas com pelo menos oito massas estelares podem tornar-se buracos negros. Estrelas menos massivas se tornarão estrelas de nêutrons ou anãs brancas. (O Sol se tornará uma anã branca.)
Mas as coisas eram diferentes no Universo primitivo. Durante um período de rápida inflação, o espaço se expandiu mais rápido que a velocidade da luz. Nestas condições incomuns, áreas densas poderiam ter colapsado em PBHs. A escala desses objetos é notavelmente pequena. Eles seriam do tamanho da Terra ou menores e teriam horizontes de eventos tão largos quanto uma moeda.
O menos massivo deles teria desaparecido devido a evaporação. Foi isso que Stephen Hawking descobriu. Mas alguns, tão massivos quanto a Terra, poderiam ter sobrevivido.
Embora sejam teóricos, existem alguns indícios de sua presença. Essas dicas vêm de microlente gravitacional.
Dois esforços usaram microlentes para estudar objetos no Universo. Um é ÓCULO, o experimento de lentes gravitacionais ópticas. Outro é MOA, Observações de microlentes em astrofísica. OGLE encontrou 17 objetos isolados da massa da Terra no espaço.
Esses objetos podem ser PBHs ou podem ser planetas rebeldes. Infelizmente, é muito difícil diferenciar individualmente. Mas como a teoria prevê as massas e a abundância de planetas rebeldes, isso poderia fornecer uma maneira para o Telescópio Romano diferenciá-los dos PBHs.
“Não há como distinguir entre buracos negros com a massa da Terra e planetas rebeldes, caso a caso”, disse DeRocco. “Roman será extremamente poderoso na diferenciação estatística entre os dois.”
Em sua pesquisa, os autores explicam isso de forma mais completa. “O ponto principal é que, embora os eventos PBH e FFP não possam ser discriminados evento por evento, as duas populações podem ser distinguidas pela distribuição estatística da duração dos seus eventos.” Os cientistas pensam que Roman encontrará 10 vezes mais objetos nesta faixa de massa do que esforços terrestres como OGLE e MOA.
Encontrar buracos negros primordiais criaria uma grande reviravolta.
“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. Sahu não esteve envolvido na pesquisa, mas entende o impacto que os resultados teriam. “Confirmar as suas identidades será um trabalho árduo e os astrónomos precisarão de muito convencimento, mas valeria bem a pena.”
Se o Telescópio Espacial Romano conseguir encontrar os buracos negros e confirmá-los, este poderá ser um momento decisivo na história astronômica. A descoberta seria uma forte evidência a favor de um período de inflação rápida no início do Universo, uma época que até agora não foi comprovada. Os físicos acham que deve ter havido um período como este, pois ajuda a explicar muitas outras coisas sobre o Universo.
O mais emocionante é que estes buracos negros primordiais podem compreender uma percentagem de matéria escura. Uma pequena percentagem, mas uma melhoria enorme em relação à nossa compreensão atual do que é a matéria escura. Os cientistas continuam procurando coisas como WIMPs (Partículas Massivas de Interação Fraca) e outras partículas que poderiam ser matéria escura, mas nunca as encontram.
“A natureza da matéria escura continua a ser uma das questões em aberto mais prementes na física fundamental. Embora múltiplas linhas de evidências convincentes indiquem a sua existência, a sua natureza microfísica permanece desconhecida”, explicam os autores.
O que há de elegante nos Roman e nos PBHs é que não será necessário um esforço especial para encontrá-los. O Romano já irá procurar planetas. “A Pesquisa no Domínio do Tempo do Bojo Galáctico de Roman é esperada
observar centenas de eventos de microlentes de baixa massa, permitindo uma caracterização estatística robusta
desta população”, escrevem os autores em seu artigo.
Cada telescópio espacial que lançamos é uma nova janela para algum aspecto do Universo. O Telescópio Espacial Nancy Grace Roman com certeza será. “Embora o seu Estudo no Domínio do Tempo do Bojo Galáctico tenha como alvo exoplanetas ligados e não ligados, mostrámos que também terá uma sensibilidade sem precedentes à física para além do Modelo Padrão”, escrevem DeRocco e os seus colegas investigadores no seu artigo. Isso porque pode “sondar a fração da matéria escura composta por buracos negros primordiais”, escrevem.
“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.”
E quem não quer uma compreensão mais forte do Universo?
