Os pesquisadores aplicaram a teoria quântica de campos ao universo primitivo, prevendo menos buracos negros primordiais do que outros modelos sugerem, impactando potencialmente a teoria da matéria escura. Crédito: SciTechDaily.com
A teoria quântica de campos revela falhas potenciais em modelos que prevêem numerosos buracos negros primordiais, sugerindo que existem menos, o que pode impactar as teorias da matéria escura e a estrutura do universo.
Os pesquisadores aplicaram a bem compreendida e altamente verificada teoria quântica de campos, geralmente aplicada ao estudo do muito pequeno, a um novo alvo, o universo primitivo. A sua exploração levou à conclusão de que deveria haver muito menos buracos negros em miniatura do que a maioria dos modelos sugere, embora em breve sejam possíveis observações para confirmar isto. O tipo específico de buraco negro em questão poderia ser um candidato à matéria escura.
O estudo, publicado recentemente em Cartas de revisão físicafoi conduzido por pesquisadores do Centro de Pesquisa para o Universo Primitivo (RESCEU) e do Instituto Kavli de Física e Matemática do Universo (Kavli IPMU, WPI) da Universidade de Tóquio.
Compreendendo as origens do Universo
Explorar o universo pode ser cansativo, então vamos ter certeza de que estamos todos na mesma página. Embora os detalhes sejam confusos, o consenso geral entre os físicos é que o Universo tem cerca de 13,8 mil milhões de anos, começou com um estrondo, expandiu-se rapidamente num período chamado inflação e, algures ao longo do caminho, deixou de ser homogéneo para conter detalhes e estrutura.
A maior parte do universo está vazia, mas, apesar disso, parece ser significativamente mais pesado do que pode ser explicado pelo que podemos ver – chamamos esta discrepância de matéria escura, e ninguém sabe o que isso pode ser, mas estão aumentando as evidências de que é podem ser buracos negros, especificamente os antigos.
Origens humildes. O estudo descobre como grandes flutuações de amplitude geradas em pequenas escalas podem amplificar flutuações em grande escala observadas na radiação cósmica de fundo. Crédito: © 2024 ESA/Planck Collaboration, modificado por Jason Kristiano CC-BY-ND
Buracos Negros Primordiais e Matéria Escura
“Nós os chamamos de buracos negros primordiais (PBH), e muitos pesquisadores sentem que eles são um forte candidato à matéria escura, mas seriam necessários muitos deles para satisfazer essa teoria”, disse o estudante Jason Kristiano.
“Eles são interessantes também por outras razões, já que desde a recente inovação da astronomia de ondas gravitacionais, tem havido descobertas de sistemas binários. buraco negro fusões, o que pode ser explicado se existirem PBHs em grande número. Mas, apesar destas fortes razões para a sua abundância esperada, não vimos nenhuma diretamente, e agora temos um modelo que deve explicar porque é que isto acontece.”
Desafios nos modelos atuais de PBH
Kristiano e seu supervisor, Professor Jun’ichi Yokoyama, atualmente diretor do Kavli IPMU e RESCEU, exploraram extensivamente os vários modelos para a formação de PBH, mas descobriram que os principais candidatos não se alinham com as observações reais da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB). , que é como uma impressão digital que sobrou do Big Bang explosão marcando o início do universo. E se algo discorda de observações sólidas, ou não pode ser verdade ou, na melhor das hipóteses, pode apenas pintar parte de um quadro.
Neste caso, a equipe usou uma nova abordagem para corrigir o modelo principal de formação de PBH a partir da inflação cósmica, para que ele se alinhe melhor com as observações atuais e possa ser verificado posteriormente com observações futuras por observatórios de ondas gravitacionais terrestres em todo o mundo.
Insights teóricos sobre a inflação cósmica
“No início, o universo era incrivelmente pequeno, muito menor que o tamanho de um único átomo. A inflação cósmica expandiu rapidamente esse valor em 25 ordens de grandeza. Naquela época, as ondas que viajavam através deste pequeno espaço poderiam ter amplitudes relativamente grandes, mas comprimentos de onda muito curtos. O que descobrimos é que estas ondas pequenas mas fortes podem traduzir-se numa amplificação de outra forma inexplicável de ondas muito mais longas que vemos na actual CMB”, disse Yokoyama.
“Acreditamos que isso se deve a casos ocasionais de coerência entre essas primeiras ondas curtas, que podem ser explicadas usando a teoria quântica de campos, a teoria mais robusta que temos para descrever fenômenos cotidianos, como fótons ou elétrons. Embora as ondas curtas individuais fossem relativamente impotentes, grupos coerentes teriam o poder de remodelar ondas muito maiores do que eles próprios. Este é um caso raro em que uma teoria de algo numa escala extrema parece explicar algo no extremo oposto da escala.”
Implicações para PBH como matéria escura
Se, como sugerem Kristiano e Yokoyama, as primeiras flutuações de pequena escala no universo afetarem algumas das flutuações de maior escala que vemos na CMB, isso poderá alterar a explicação padrão das estruturas grosseiras no universo. Mas também, dado que podemos usar medições de comprimentos de onda na CMB para restringir efetivamente a extensão dos comprimentos de onda correspondentes no universo primitivo, isso necessariamente restringe quaisquer outros fenômenos que possam depender desses comprimentos de onda mais curtos e mais fortes. E é aqui que os PBHs voltam.
“Acredita-se amplamente que o colapso de comprimentos de onda curtos, mas fortes, no universo primitivo é o que cria buracos negros primordiais”, disse Kristiano. “Nosso estudo sugere que deveria haver muito menos PBHs do que seria necessário se eles fossem de fato um forte candidato a eventos de matéria escura ou de ondas gravitacionais.”
Observações contínuas e percepções futuras
No momento em que este artigo foi escrito, os observatórios de ondas gravitacionais do mundo, LIGO nos EUA, Virgo na Itália e KAGRA no Japão estão no meio de uma missão de observação que visa observar os primeiros pequenos buracos negros, provavelmente PBHs. Em qualquer caso, os resultados devem oferecer à equipa evidências sólidas para ajudá-la a refinar ainda mais a sua teoria.
Referências:
“Restringindo a formação de buracos negros primordiais devido à inflação de campo único”, por Jason Kristiano e Jun’ichi Yokoyama, 29 de maio de 2024, Cartas de revisão física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.221003
“Nota sobre as correções de bispectro e de um loop na inflação de campo único com formação de buraco negro primordial” por Jason Kristiano e Jun’ichi Yokoyama, 29 de maio de 2024, Revisão Física D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.109.103541
