Buracos Negros Supermassivos são os gigantes confusos da Natureza. É difícil para mentes ligadas à Terra compreender sua magnitude e poder. Astrofísicos passaram décadas estudando-os, e eles fizeram progressos. Mas um problema ainda os confunde: o Problema Final Parsec.
Uma nova pesquisa pode ter resolvido o problema, e a matéria escura desempenha um papel na solução.
Buracos Negros Supermassivos (SMBHs) podem ser bilhões de vezes mais massivos que o nosso Sol. Evidências mostram que eles podem residir no centro de todas as grandes galáxias. A Via Láctea tem um e é chamado Sagitário A* (Sgr A*).
SMBHs crescem tanto ao se fundirem com outros SMBHs quando suas galáxias hospedeiras se fundem. Mas há um problema. Os astrofísicos não entendem como os dois SMBHs podem fechar o parsec final que os separa.
Quando buracos negros se fundem, eles começam como um objeto binário. Eles giram em espiral um ao redor do outro, cada um carregando seu próprio momento. Para se fundir, os buracos negros precisam liberar energia. Para fazer isso, eles liberam energia para o gás e a poeira ao redor, que então se dissipam. Mas quando eles se afastam cerca de três anos-luz um do outro, ou cerca de um parsec, simplesmente não há gás e poeira suficientes para absorver a energia necessária.
No entanto, as PMEs fundem-se, pelo que, de alguma forma, a natureza supera a Problema final do Parsec (FPP).
Nova pesquisa publicada no periódico Physical Review Letters apresenta uma solução para o FPP. A pesquisa é intitulado “Matéria escura autointerativa resolve o problema final do parsec das fusões de buracos negros supermassivos.” O primeiro autor é Gonzalo Alonso-Álvarez, bolsista de pós-doutorado no Departamento de Física da Universidade de Toronto, Canadá.
“Nosso trabalho é uma nova maneira de nos ajudar a entender a natureza das partículas da matéria escura.”
Gonzalo Alonso ÁlvarezDepartamento de Física, Universidade de Toronto
Não há dúvida de que buracos negros de massa estelar podem se fundir. LIGO/Virgem sentiu as ondas gravitacionais vindas de muitas fusões entre buracos negros de massa estelar, o que é uma evidência direta de que buracos negros podem se fundir. No entanto, evidências de fusões SMBH são elusivas.
Em 2023, cientistas anunciaram a detecção de um zumbido de fundo persistente de ondas gravitacionais. Essa detecção veio do Observatório Nanohertz Norte-Americano para Ondas Gravitacionais (NANOGrav.) NANOGrav coletou dados de ondas gravitacionais por 15 anos usando temporização de pulsar.
Diferentes grupos de pesquisadores levantaram a hipótese de que o zumbido vem das fusões de SMBHs. um papelpesquisadores disseram que o zumbido vem de centenas de milhares de pares de SMBHs em fusão. De alguma forma, esses SMBHs estão superando o FPP.
Em seu novo artigo, Alonso-Álvarez e seus co-pesquisadores mostram como a matéria escura permite que SMBHs se fundam apesar do Problema do Parsec Final. “Mostramos que incluir o efeito previamente negligenciado da matéria escura pode ajudar buracos negros supermassivos a superar esse parsec final de separação e coalescer”, disse Alonso-Álvarez. “Nossos cálculos explicam como isso pode ocorrer, em contraste com o que se pensava anteriormente.”
Astrofísicos têm trabalhado no FPP por um longo tempo. Diferentes pesquisadores desenvolveram diferentes modelos para tentar explicar como os SMBHs se fundem, e esses modelos incluem matéria escura. No entanto, modelos de fusão anteriores mostraram que a matéria escura perto dos buracos negros em espiral é lançada para fora da área de fusão pela gravidade criada pelos buracos em espiral. Sem essa matéria escura para absorver energia, o par de SMBHs não pode superar o FPP.
Mas nesta nova pesquisa, a matéria escura interage consigo mesma e “picos” em vez de ser dispersa. Picos de matéria escura são concentrações teóricas de matéria escura ao redor de um buraco negro. À medida que um SMBH cresce, ele atrai matéria regular para si. O mesmo processo pode levar a um pico de matéria escura ao redor do buraco negro. Sua densidade permanece alta o suficiente para que possa absorver energia suficiente para o par de SMBHs continuar sua espiral. Eventualmente, eles superam o FPP e se fundem em um.
Tudo depende da autointeração da 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”, disse Alonso-Álvarez. “Nosso argumento é que apenas modelos com esse ingrediente podem resolver o problema final do parsec.”
Os físicos não têm certeza de que a matéria escura pode interagir consigo mesma, no entanto. O Modelo Padrão diz que a matéria escura interage principalmente por meio da gravidade. Mas evidências mais recentes está se acumulando para que possa interagir consigo mesmo, e os físicos chamam isso de Matéria escura autointerativa teoria.
Outras pesquisas analisaram picos de matéria escura perto de buracos negros em fusão. De acordo com essa pesquisa, o atrito dinâmico entre os buracos negros e o pico de DM poderia dissipar o pico. No entanto, essa nova pesquisa argumenta que apenas SIDM pode efetivamente mover o calor para fora e repor o pico de DM. Ao contrário da matéria escura sem colisão, um pico de SIDM se mantém e permite que os buracos negros em espiral percam energia suficiente e cruzem o problema do parsec final.
Mais suporte para esta hipótese vem da natureza do zumbido da onda gravitacional de fundo que os cientistas anunciaram em 2023. Foi medido por tempo do pulsar e as ondas exibiram um amolecimento em baixas frequências. De acordo com Alonso-Álvarez, seu modelo prevê esse fenômeno, dando credibilidade ao seu trabalho.
“Uma previsão da nossa proposta é que o espectro de ondas gravitacionais observado por matrizes de temporização de pulsar deve ser suavizado em baixas frequências”, disse o coautor Professor James Cline da Universidade McGill e do Departamento de Física Teórica do CERN na Suíça. “Os dados atuais já sugerem esse comportamento, e novos dados podem ser capazes de confirmá-lo nos próximos anos.”
Esta pesquisa vai além das fusões de SMBH para a natureza da matéria escura em si. As autointerações que os pesquisadores modelaram podem ajudar a explicar o formato dos halos de matéria escura ao redor das galáxias.
“Nosso trabalho é uma nova maneira de nos ajudar a entender a natureza de partículas da matéria escura”, disse 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.”
“Apesar das incertezas astrofísicas sobre sua natureza detalhada, não há dúvida de que picos de matéria escura existem ao redor de binários de buracos negros supermassivos e, portanto, contribuem para o atrito dinâmico que acelera a decadência de sua órbita”, escrevem os autores na conclusão de seu artigo.
“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”, disse 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.”
