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Buraco negro primordial e matéria escura explicariam estas ondas gravitacionais

Daniele Cavalcante
·4 minuto de leitura

A análise de duas ondas gravitacionais levou uma equipe de pesquisadores a propor algumas conclusões ousadas. De acordo com um novo artigo, publicado na Physical Review Letters, as ondas poderiam revelar que a matéria escura consiste em grandes concentrações de buracos negros primordiais, algo que os astrônomos ainda não sabem se realmente existe.

As ondulações GW190425 e GW190814, detectadas em 2019, intrigam os astrônomos porque elas parecem ter sido produzidas por colisões que envolvem buracos negros de 1,7 e 2,6 massas solares, mas há um problema: tais buracos negros não deveriam existir. Até onde se sabe, os processos que levam à formação de um buraco negro, como a explosão de uma estrela em supernova, não deveriam ocorrer em objetos de pouca massa.

Em geral, os buracos negros de massa estelar são algumas vezes mais massivos que o Sol. Abaixo de aproximadamente 2,5 massas solares, uma estrela não conseguiria se transformar em buraco negro mesmo, mesmo se fosse capaz de tentar. Há somente uma possibilidade de que estrelas de massa solar se tornem buracos negros: se elas colidirem com outros objetos, de modo que a soma das massas ultrapasse 2,5 massas solares, e ainda assim há uma incerteza a menos que haja 2,7 massas solares.

Ondas gravitacionais são ondulações no espaço-tempo causadas por colisões entre objetos massivos (Imagem: Reprodução/ESA–C.Carreau)
Ondas gravitacionais são ondulações no espaço-tempo causadas por colisões entre objetos massivos (Imagem: Reprodução/ESA–C.Carreau)

Contudo, os autores do novo estudo propõem que esses objetos de massa solar detectados pelas ondas gravitacionais sejam, na verdade, buracos negros primordiais (vamos apelidá-los de BNP), ou seja, criados durante o Big Bang. Essa é uma hipótese válida, mas os cientistas estão há alguns anos procurando por evidências de que os buracos negros primordiais de fato existem. Outra proposta do artigo é que eles se formaram mais tarde, após absorver matéria escura.

Se os BNP existem, alguns deles provavelmente evaporaram ao longo do tempo, por causa de um fenômeno conhecido como radiação Hawking. Apenas buracos negros primordiais com massas acima de 10¹¹ km poderiam existir hoje. Mesmo assim, é difícil encontrar alguma evidência concreta o suficiente para “perseguir” esses objetos, já que a radiação cósmica de fundo (uma espécie de “fóssil” dos primeiros momentos após o Big Bang) mostra que provavelmente os BNP existem ou já existiram.

Contudo, nada disso impede estudos que proponham um universo primordial no qual buracos negros se formaram. Caso os BNP existirem, eles poderiam explicar a matéria escura, de acordo com alguns astrofísicos. Mas como saber se um buraco negro é primordial ou se é simplesmente uma estrela de massa solar que colidiu com outro objeto, ganhando massa o suficiente para colapsar em um buraco negro comum? As ondas gravitacionais podem dar algumas pistas, e é aí que entram as detecções das ondas GW190425 e GW190814.

Duas hipóteses

Colisões entre buracos negros (Imagem: Reprodução/Aaron M. Geller/Northwestern University/CIERA)
Colisões entre buracos negros (Imagem: Reprodução/Aaron M. Geller/Northwestern University/CIERA)

O artigo sugere duas possibilidades para essas ondas. Uma vez que estrelas abaixo de 5 massas solares tendem a se tornar estrelas de nêutrons, a intensa gravidade desses objetos atrairiam partículas de matéria escura que poderia haver ao seu redor, até que sua massa aumente o suficiente para que a fusão — entre a estrela de nêutrons e a matéria escura — colapse em um buraco negro. Essa é a primeira sugestão dos autores do estudo. A outra possibilidade é que uma estrela de nêutrons tenha se fundido com um pequeno buraco negro primordial, que por sua vez se alimentou da matéria ao seu redor até que apenas ele restasse.

Ondas gravitacionais são relativamente confiáveis para revelar algumas características dos objetos que as formaram, como a massa, então a equipe recorreu aos dados de aproximadamente 50 ondas detectadas. O resultado da análise mostra que apenas os eventos GW190425 e GW190814 envolviam objetos com as massas certas para serem buracos negros primordiais. Mesmo com tão pouca quantidade de casos, isso pode ser um indício de que essas ondas em particular foram geradas durante a colisão entre uma estrela de nêutrons fundida com matéria escura e um buraco negro que se formou no início do próprio universo.

Claro, o estudo não é conclusivo, nem pretende ser. Mas mostrar essas relações entre massa e possíveis objetos que formaram as duas ondulações pode ser útil no futuro. Os eventos GW190425 e GW190814 também podem ter sido resultado de uma simples colisão entre duas estrelas de nêutrons, mas a equipe afirma que a distribuição de massa das estrelas de nêutrons existentes torna isso improvável. Volodymyr Takhistov, um dos autores do artigo, diz que o método de sua equipe se tornará mais preciso à medida que mais detecções de ondas gravitacionais forem feitas.

Fonte: Canaltech

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