Matéria escura: como os buracos negros primordiais podem explicar um mistério de longa data

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Há cerca de 50 anos que a comunidade científica se debate com um grande problema: não há matéria visível suficiente no Universo.

Toda a matéria que podemos ver – estrelas, planetas, poeira cósmica e tudo o que existe entre eles – não consegue explicar porque é que o Universo se comporta daquela forma, e teria de haver cinco vezes mais matéria à nossa volta para que as observações dos investigadores pudessem ser realizadas. faz sentido. De acordo com a NASA. Os cientistas chamam essa substância de matéria escura porque ela não interage com a luz e é invisível.

Na década de 1970, os astrônomos norte-americanos Vera Rubin e… Kent Ford descobriu a existência de matéria escura observando estrelas orbitando a borda de galáxias espirais. Eles notaram que essas estrelas se moviam rápido demais para serem mantidas unidas pela matéria visível e pela gravidade da galáxia e, em vez disso, deveriam ter sido destruídas. A única explicação era que havia uma grande quantidade de matéria invisível mantendo a galáxia unida.

“O que você vê em uma galáxia espiral” Robin disse Na época, “não é isso que você ganha”. Seu trabalho baseou-se em uma hipótese formulada pelo astrônomo suíço Fritz Zwicky na década de 1930, e iniciou a busca pela matéria indescritível.

Desde então, os cientistas têm tentado observar diretamente a matéria escura e até construí-la Ótimos aparelhos Para descobrir, mas até agora não tivemos sorte.

No início da pesquisa, o famoso físico britânico Stephen Hawking levantou a hipótese de que a matéria escura poderia estar escondida em buracos negros – o tema principal de seu trabalho – formados durante o big bang.

Agora, um novo estudo realizado por investigadores do MIT trouxe a teoria de volta aos holofotes, revelando de que são feitos estes buracos negros primordiais e, potencialmente, descobrindo um tipo inteiramente novo de buraco negro exótico no processo.

“Foi uma surpresa muito boa nesse sentido”, disse David Kaiser, um dos autores do estudo.

“Estávamos aproveitando os famosos cálculos de Stephen Hawking sobre buracos negros, especialmente seu importante resultado sobre a radiação que os buracos negros emitem”, disse Kaiser. “Estes estranhos buracos negros surgem da tentativa de resolver o problema da matéria escura. Eles são um subproduto da explicação da matéria escura.”

Os cientistas fizeram muitas suposições sobre o que é a matéria escura, desde partículas desconhecidas até dimensões extras. Mas a teoria de Hawking sobre os buracos negros só recentemente entrou em vigor.

“As pessoas não levaram isso a sério até talvez há 10 anos”, disse a coautora do estudo, Elba Alonso Monsalve, estudante de pós-graduação no MIT. “Isso ocorre porque os buracos negros já pareciam muito rebuscados. No início de 1900, as pessoas pensavam que eram apenas um fato matemático divertido, não apenas um fato físico.”

Sabemos agora que quase todas as galáxias contêm um buraco negro no seu centro, descobriram os investigadores de Einstein Ondas gravitacionais Criado pela colisão de buracos negros em 2015 – uma descoberta marcante – mostrou que eles estão por toda parte.

“Na verdade, o universo está cheio de buracos negros”, disse Alonso Monsalve. “Mas nenhuma partícula de matéria escura foi encontrada, embora as pessoas tenham procurado em todos os lugares que esperavam encontrá-la. Isso não significa que a matéria escura não seja uma partícula, ou que seja definitivamente um buraco negro. Mas agora, “os buracos negros estão sendo levados a sério como candidatos à matéria escura”.

durar Estudos modernos A hipótese de Hawking foi confirmada como verdadeira, mas o trabalho de Alonso Monsalvi e Kaiser, professor de física e professor de história da ciência no Instituto Germshausen do MIT, vai um passo além e analisa exatamente o que aconteceu quando os buracos negros primordiais surgiram pela primeira vez. formado. .

o Estádiopublicado em 6 de junho na revista Physical Review Letters, revela que esses buracos negros devem ter surgido nos primeiros cinco milionésimos de segundo do big bang: “Isso é muito cedo, muito antes do momento em que prótons e nêutrons apareceram, ” Disse Alonso Monsalve “As moléculas que compõem tudo foram formadas”.

Ela acrescentou que no nosso mundo diário não podemos encontrar prótons e nêutrons desintegrados, que são partículas elementares. No entanto, sabemos que não o é, porque é composto por partículas mais pequenas chamadas quarks, unidas por outras partículas chamadas gluões.

“Não é possível encontrar quarks e glúons sozinhos e livres no universo agora, porque está muito frio”, acrescentou Alonso Monsalvi. “Mas no início do Big Bang, quando estava muito quente, eles poderiam ter sido encontrados sozinhos e livres. Portanto, os buracos negros primordiais foram formados pela absorção de quarks e glúons livres.

Tal configuração o tornaria radicalmente diferente dos buracos negros astrofísicos que os cientistas costumam observar no universo, que são resultado do colapso de estrelas. O buraco negro primordial também seria muito menor, com apenas a massa do asteroide, em média, condensada no tamanho de um átomo. Mas se um número suficiente destes buracos negros primordiais não evaporasse no início do big bang e sobrevivesse até hoje, eles poderiam ser responsáveis ​​por toda ou pela maior parte da matéria escura.

Enquanto os buracos negros primordiais se formavam, outro tipo de buraco negro invisível deve ter se formado como uma espécie de subproduto, segundo o estudo. Isso teria sido menor, apenas um bloco A unicórniocondensado em menos que o tamanho de um próton.

Esses minúsculos buracos negros, devido ao seu pequeno tamanho, foram capazes de capturar uma propriedade rara e estranha da sopa de quark-glúon em que se formaram, chamada “carga colorida”. É um estado de carga limitado a quarks e glúons e nunca encontrado em objetos comuns, disse Kaiser.

Essa carga colorida o tornaria único entre os buracos negros, que geralmente não têm carga de nenhum tipo. “É inevitável que estes buracos negros mais pequenos também se tivessem formado, como subproduto (da formação dos buracos negros primordiais), mas já não existiriam hoje, porque já teriam evaporado”, disse Alonso Monsalve.

No entanto, se ainda estivesse a cerca de dez milionésimos de segundo do big bang, quando os protões e neutrões se formaram, poderia ter deixado impressões digitais observáveis ​​ao alterar o equilíbrio entre os dois tipos de partículas.

“O equilíbrio entre o número de prótons e o número de nêutrons criados é muito delicado e depende de que outra matéria estava presente no universo na época”, acrescentou ela. “Se esses buracos negros com cargas coloridas ainda existissem, seria. poderia mudar o equilíbrio entre prótons e nêutrons.” (Para um ou outro), o que é apenas o suficiente para medir isso nos próximos anos.”

A medição pode vir de telescópios terrestres ou de instrumentos sensíveis em satélites em órbita, disse Kaiser. Ele acrescentou que pode haver outra maneira de confirmar a existência destes estranhos buracos negros.

“A formação de um aglomerado de buracos negros é um processo extremamente violento que enviaria enormes ondulações no espaço-tempo circundante. Essas taxas diminuirão ao longo da história cósmica, mas não até zero”, disse Kaiser. de detectores de gravidade poderiam dar uma olhada.” “Um vislumbre de buracos negros de pequena massa – um estado exótico da matéria que foi um subproduto inesperado de buracos negros mais mundanos que poderia explicar a matéria escura de hoje.”

O que isso significa para experimentos em andamento que tentam detectar matéria escura, por exemplo Experimento de matéria escura LZ Em Dakota do Sul?

“A ideia de novas partículas estranhas continua sendo uma hipótese interessante”, disse Kaiser. Existem outros tipos de grandes experimentos, alguns em construção, que buscam formas inovadoras de detectar ondas gravitacionais. Na verdade, eles podem captar alguns sinais perdidos do processo de formação extremamente violento dos buracos negros primordiais.

Alonso Monsalvi acrescentou que também existe a possibilidade de os buracos negros primordiais serem apenas uma pequena porção de matéria escura. “Na verdade, não precisa ser a mesma coisa”, disse ela. “Existe cinco vezes mais matéria escura do que matéria normal, e a matéria normal é composta por um monte de partículas diferentes. Então, por que a matéria escura tem que ser um tipo de objeto?”

Os buracos negros primordiais recuperaram popularidade com a descoberta das ondas gravitacionais, mas pouco se sabe sobre a sua formação, segundo Nico Capellotti, professor assistente do Departamento de Física da Universidade de Miami. Ele não participou do estudo.

“Este trabalho é uma opção interessante e viável para explicar a matéria escura indescritível”, disse Capellotti.

O estudo é entusiasmante e sugere um novo mecanismo para a formação da primeira geração de buracos negros, disse Priyamvada Natarajan, Professor Joseph S. e Sophia S. Fruton de Astronomia e Física na Universidade de Yale. Ela também não participou do estudo.

“Todo o hidrogénio e o hélio no nosso universo hoje foram criados nos primeiros três minutos, e se já tivessem existido um número suficiente destes buracos negros primordiais, eles teriam afetado esse processo e esses efeitos poderiam ter sido detectáveis”, disse Natarajan. .

“O facto de esta ser uma hipótese testável observacionalmente é o que considero realmente excitante, para além do facto de sugerir que a natureza provavelmente criou buracos negros desde os primeiros tempos através de múltiplos caminhos.”