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Buracos negros exóticos podem ser um subproduto da matéria escura

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Jun 9, 2024
Representação de um buraco negro primordial formando-se em meio a um mar de água quente e carregada de cor

Representação de um buraco negro primordial formando-se em meio a um mar de quarks e glúons quentes e carregados de cor, uma pequena fração de segundo após o Big Bang.

No primeiro quintilionésimo de segundo, o universo pode ter gerado buracos negros microscópicos com enormes quantidades de carga nuclear, propõem os físicos do MIT.

Para cada quilograma de matéria que podemos ver – desde o computador em sua mesa até estrelas e galáxias distantes – há 5 quilogramas de matéria invisível que permeiam nosso entorno. Esta “matéria escura” é uma entidade misteriosa que escapa a todas as formas de observação direta, mas que faz sentir a sua presença através da sua atração invisível sobre objetos visíveis.

Há cinquenta anos, o físico Stephen Hawking ofereceu uma ideia sobre o que poderia ser a matéria escura: uma população de buracos negros, que poderia ter se formado logo após o Big Bang. Esses buracos negros “primordiais” não teriam sido os gigantes que detectamos hoje, mas sim regiões microscópicas de matéria ultradensa que teriam se formado no primeiro quintilionésimo de segundo após o Big Bang e depois colapsado e espalhado pelo cosmos, puxando circundando o espaço-tempo de maneiras que poderiam explicar a matéria escura que conhecemos hoje.

Agora, os físicos do MIT descobriram que este processo primordial também teria produzido alguns companheiros inesperados: buracos negros ainda mais pequenos com quantidades sem precedentes de uma propriedade da física nuclear conhecida como “carga de cor”.

Esses menores buracos negros “supercarregados” teriam sido um estado de matéria inteiramente novo, que provavelmente evaporou uma fração de segundo depois de terem surgido. No entanto, ainda podem ter influenciado uma transição cosmológica fundamental: a altura em que os primeiros núcleos atómicos foram forjados. Os físicos postulam que os buracos negros carregados de cor podem ter afectado o equilíbrio dos núcleos em fusão, de uma forma que os astrónomos poderão algum dia detectar com medições futuras. Tal observação apontaria de forma convincente para os buracos negros primordiais como a raiz de toda a matéria escura hoje.

“Mesmo que essas criaturas exóticas e de vida curta não existam hoje, elas poderiam ter afetado a história cósmica de maneiras que poderiam aparecer em sinais sutis hoje”, diz David Kaiser, professor de História da Ciência em Germeshausen e professor de física na MIT. “Dentro da ideia de que toda a matéria escura pode ser explicada por buracos negros, isto dá-nos novas coisas para procurar.”

Kaiser e sua coautora, a estudante de pós-graduação do MIT Elba Alonso-Monsalve, publicaram seu estudo hoje na revista Cartas de revisão física.

Um tempo antes das estrelas

Os buracos negros que conhecemos e detectamos hoje são o produto do colapso estelar, quando o centro de uma estrela massiva desaba sobre si mesmo para formar uma região tão densa que pode dobrar o espaço-tempo de tal forma que qualquer coisa – até mesmo a luz – fica presa dentro dela. . Esses buracos negros “astrofísicos” podem ter desde algumas vezes a massa do Sol até muitos bilhões de vezes mais massiva.

Os buracos negros “primordiais”, por outro lado, podem ser muito menores e acredita-se que tenham se formado em uma época anterior às estrelas. Antes mesmo de o universo ter preparado os elementos básicos, e muito menos as estrelas, os cientistas acreditam que bolsões de matéria primordial ultradensa poderiam ter se acumulado e colapsado para formar buracos negros microscópicos que poderiam ter sido tão densos que comprimiram a massa de um asteróide em um região tão pequena quanto um único átomo. A atração gravitacional desses pequenos objetos invisíveis espalhados por todo o universo poderia explicar toda a matéria escura que não podemos ver hoje.

Se fosse esse o caso, então de que seriam feitos esses buracos negros primordiais? Essa é a questão que Kaiser e Alonso-Monsalve abordaram com seu novo estudo.

“As pessoas estudaram qual seria a distribuição das massas dos buracos negros durante a produção do universo inicial, mas nunca a vincularam aos tipos de coisas que teriam caído nesses buracos negros no momento em que estavam se formando”, explica Kaiser.

Rinocerontes supercarregados

Os físicos do MIT examinaram primeiro as teorias existentes para a distribuição provável das massas dos buracos negros à medida que se formavam no início do Universo.

“Nossa conclusão foi que existe uma correlação direta entre quando um buraco negro primordial se forma e com que massa ele se forma”, diz Alonso-Monsalve. “E essa janela de tempo é absurdamente precoce.”

Ela e Kaiser calcularam que os buracos negros primordiais devem ter se formado no primeiro quintilionésimo de segundo após o Big Bang. Este flash de tempo teria produzido buracos negros microscópicos “típicos” que eram tão massivos quanto um asteróide e tão pequenos quanto um átomo. Também teria produzido uma pequena fração de buracos negros exponencialmente menores, com a massa de um rinoceronte e um tamanho muito menor que um único próton.

De que teriam sido feitos esses buracos negros primordiais? Para isso, recorreram a estudos que exploram a composição do universo primitivo e, especificamente, à teoria da cromodinâmica quântica (QCD) – o estudo de como os quarks e os glúons interagem.

Quarks e glúons são os blocos de construção fundamentais dos prótons e nêutrons – partículas elementares que se combinaram para formar os elementos básicos da tabela periódica. Imediatamente após o Big Bang, os físicos estimam, com base na QCD, que o universo era um plasma imensamente quente de quarks e glúons que rapidamente esfriou e se combinou para produzir prótons e nêutrons.

Os investigadores descobriram que, no primeiro quintilionésimo de segundo, o Universo ainda teria sido uma sopa de quarks e gluões livres que ainda não se tinham combinado. Quaisquer buracos negros que se formassem nessa época teriam engolido as partículas soltas, juntamente com uma propriedade exótica conhecida como “carga de cor” – um estado de carga que apenas quarks e glúons não combinados carregam.

“Depois que descobrimos que esses buracos negros se formam em um plasma de quark-glúon, a coisa mais importante que tivemos que descobrir foi quanta carga colorida está contida na bolha de matéria que terminará em um buraco negro primordial?” Alonso-Monsalve diz.

Usando a teoria da QCD, eles calcularam a distribuição da carga colorida que deveria existir em todo o plasma inicial quente. Depois compararam isso com o tamanho de uma região que entraria em colapso para formar um buraco negro no primeiro quintilionésimo de segundo. Acontece que não haveria muita carga colorida na maioria dos buracos negros típicos da época, pois eles teriam se formado pela absorção de um grande número de regiões que tinham uma mistura de cargas, o que acabaria resultando em um “neutro”. ” cobrar.

Mas os menores buracos negros estariam repletos de carga colorida. Na verdade, teriam contido a quantidade máxima de qualquer tipo de carga permitida para um buraco negro, de acordo com as leis fundamentais da física. Embora tais buracos negros “extremos” tenham sido levantados durante décadas, até agora ninguém tinha descoberto um processo realista pelo qual tais estranhezas pudessem realmente ter-se formado no nosso Universo.

Os buracos negros supercarregados teriam evaporado rapidamente, mas possivelmente somente após o momento em que os primeiros núcleos atômicos começaram a se formar. Os cientistas estimam que este processo começou cerca de um segundo após o Big Bang, o que teria dado aos buracos negros extremos bastante tempo para perturbar as condições de equilíbrio que teriam prevalecido quando os primeiros núcleos começaram a formar-se. Tais perturbações poderiam potencialmente afectar a forma como esses primeiros núcleos se formaram, de formas que algum dia poderão ser observadas.

“Esses objetos podem ter deixado algumas marcas observacionais emocionantes”, reflete Alonso-Monsalve. “Eles poderiam ter mudado o equilíbrio entre isso e aquilo, e esse é o tipo de coisa que podemos começar a nos perguntar.”

Alonso-Monsalve também é apoiado por uma bolsa do Departamento de Física do MIT.

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