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Eis como buracos negros podem ter formado a matéria escura no início do universo

·4 minuto de leitura

A matéria escura do universo e os buracos negros tem algo em comum: são invisíveis em quaisquer comprimentos de onda do espectro eletromagnético, ou seja, não emitem e não refletem luz. Por isso, alguns cientistas cogitam que eles sejam, na verdade, a mesma coisa, e um novo estudo propõe um modelo que explica como isso poderia funcionar.

Embora seja difícil criar um modelo cosmológico com buracos negros o suficiente para corresponder à matéria escura no início do universo, a hipótese ainda não foi totalmente descartada. O desafio é explicar como a matéria escura dominou o universo — ela corresponde a 80% de toda a massa das estruturas cósmicas — em uma época em que buracos negros ainda não podiam existir.

A matéria escura é considerada uma das grandes responsáveis pela formação das grandes estruturas, como a teia cósmica e os aglomerados de galáxias. Até mesmo as galáxias parecem manter suas estruturas graças à matéria escura, então ela necessariamente surgiu nos primeiros instantes do universo, antes das primeiras galáxias se formarem. Por outro lado, buracos negros não poderiam nascer e evoluir tão cedo.

Uma linha cronológica do início do universo (Imagem: Reprodução/The Ohio State University)
Uma linha cronológica do início do universo (Imagem: Reprodução/The Ohio State University)

O novo estudo trouxe uma alternativa que pode explicar como buracos negros teriam se formado no início do universo, formando aquilo que chamamos de matéria escura. A resposta para isso seriam os hipotéticos buracos negros primordiais, cuja existência ainda não foi comprovada. Ke-Pan Xie e Kiyoharu Kawana, autores do estudo, adicionaram vários ingredientes a um modelo cosmológico, descrito em um artigo publicado no arXiv. O texto aguarda revisão de pares.

Logo após o Big Bang, o universo era muito quente e denso, o que permitia alguns processos quânticos que não ocorrem nos dias de hoje, em que o cosmos é mais frio e se expande cada vez mais, tornando-se menos denso. Para entender o modelo dos dois cientistas, precisamos voltar aos primeiros instantes do universo, quando ainda não havia matéria como a conhecemos.

Naqueles instantes, havia algo chamado campo escalar, uma propriedade da mecânica quântica que abrange todo o espaço e inclui coisas como o campo de Higgs, por exemplo. À medida que o universo se expandia e esfriava, esse campo escalar passou por uma transição de fase, passando de um estado mecânico quântico para outro. Acontece que isso não ocorreu ao mesmo tempo no universo.

Xie compara esse processo com uma água fervendo em uma chaleira. A água é transferida da fase líquida para a fase gasosa, mas isso não ocorre de uma só vez. Bolhas se formam em partes aleatórias da água porque em alguns lugares o gás está se formando. Essas bolhas aumentam em quantidade e se juntam para formar bolhas maiores, até que subam para a superfície.

De modo semelhante, o novo estado do campo escalar, chamado de "estado fundamental", se espalha a partir de pontos espalhados pelo universo, e se fundem até que todas se encontrem — nesse momento, o campo escalar termina sua transição. Mas essa não era a única coisa acontecendo no universo.

Um mapeamento da matéria escura (Imagem: Reprodução/DES Observations/N Jeffrey/Dark Energy Survey Collaboration)
Um mapeamento da matéria escura (Imagem: Reprodução/DES Observations/N Jeffrey/Dark Energy Survey Collaboration)

Os pesquisadores adicionaram um novo tipo de férmion — uma categoria de partículas que inclui elétrons, prótons e nêutrons e, portanto, constituem os blocos de construção do universo — a este modelo cosmológico. Embora eles pudessem se mover livremente no campo escalar, esses novos férmions não conseguiam penetrar nas pequenas bolhas espumantes do novo estado fundamental à medida que a transição de fase ocorria.

Neste cenário, as bolhas do campo escalar não eram as únicas a aumentar, já que os férmions se amontoavam em regiões ainda não ocupadas, tornando-se bolas de Fermi. Nesse ponto, uma força conhecida como interação Yukawa entra em jogo. Normalmente, os férmions não gostam de ser amontoados em pequenos volumes, mas o campo escalar acrescentou essa força atrativa que poderia sobrepujar a repulsão natural.

Essa hipótese pode parecer confusa, e até conveniente demais, porém algo semelhante ocorre entre os quarks (que também são férmions) Normalmente, quarks se repelem, mas uma força fundamental extra, conhecida como força forte, os une para formar os prótons e nêutrons. O mesmo precisa ocorrer para unir prótons em um mesmo núcleo atômico.

No artigo de Xie e Kawana, a atração Yukawa assumiu o controle e as pequenas bolas de Fermi colapsaram de modo cataclísmico, formando um grande número de buracos negros, que teriam sobrevivido até o final da transição de fase do campo, e começaram a inundar o universo, agora agindo na forma da matéria escura que conhecemos hoje.

Ainda é cedo para dizer se a ideia se sustenta ante dados observacionais, e não explica como os pequenos buracos negros sobreviveram à evaporação através da radiação Hawking. De qualquer forma, enquanto a matéria escura permanecer sem uma explicação definitiva, todas as ideias coerentes são úteis, principalmente aquelas que levam os cientistas a olharem para um possível cenário que não haviam cogitado antes.

Fonte: Canaltech

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