Centro de Voo Espacial Goddard da NASA
Impressão artística de buracos negros primordiais
Em 2023, uma partícula subatómica chamada neutrino embateu na Terra com uma energia tão elevada que deveria ser impossível.
De facto, não se conhecem fontes no Universo capazes de produzir tal energia – 100.000 vezes mais do que a partícula mais energética alguma vez produzida pelo LHC (Large Hadron Collider), o acelerador de partículas mais potente do mundo. No entanto, uma equipa de físicos da Universidade de Massachusetts Amherst colocou recentemente a hipótese de que algo assim poderia acontecer quando um tipo especial de buraco negro, chamado “buraco negro primordial quasi-extremo”explodiu.
Numa nova investigação publicada na revista Physical Review Letters, a equipa não só explica o neutrino, de outro modo impossível, como mostra que a partícula elementar pode revelar a natureza fundamental do Universo.
Os buracos negros existem e compreendemos bem o seu ciclo de vida: uma estrela velha e grande fica sem combustível, implode numa supernova poderosa e massiva e deixa para trás uma área do espaço-tempo com uma gravidade tão intensa que nada, nem mesmo a luz, consegue escapar. Estes buracos negros são incrivelmente pesados e são essencialmente estáveis.
Mas, tal como o físico Stephen Hawking referiu em 1970, outro tipo de buraco negro – um buraco negro primordial (BNP) – poderia ser criado não pelo colapso de uma estrela, mas a partir das condições primordiais do Universo, pouco depois do Big Bang. Até agora, os BNPs existem apenas em teoria e, tal como os buracos negros normais, são tão densos que quase nada lhes consegue escapar – o que os torna “negros”. No entanto, apesar da sua densidade, os BNPs podem ser muito mais leves do que os buracos negros que observámos até agora. Além disso, Hawking mostrou que os buracos negros primordiais podiam emitir lentamente partículas, através do que é agora conhecido como “radiação Hawking”, se ficassem suficientemente quentes.
“Quanto mais leve for um buraco negro, mais quente deverá ser e mais partículas emitirá”, diz Andrea Thamm, coautora da nova investigação e professora assistente de física na UMass Amherst. “À medida que os BNPs se evaporam, tornam-se cada vez mais leves e, portanto, mais quentes, emitindo ainda mais radiação num processo descontrolado até à explosão. É essa radiação Hawking que os nossos telescópios conseguem detetar”.
Se uma tal explosão fosse observada, dar-nos-ia um catálogo definitivo de todas as partículas subatómicas existentes, incluindo as que já observámos, como os eletrões, os quarks e os bosões de Higgs, as que apenas teorizámos, como as partículas de matéria escura, bem como tudo o resto que é, até agora, inteiramente desconhecido para a ciência. A equipa da UMass Amherst demonstrou anteriormente que tais explosões poderiam ocorrer com uma frequência surpreendente – mais ou menos a cada década – e se prestássemos atenção, os nossos atuais instrumentos de observação do cosmos poderiam registar estas explosões.
Até aqui, tudo teórico.
Então, em 2023, uma experiência chamada Colaboração KM3NeT (Cubic Kilometre Neutrino Telescope) capturou esse tal neutrino impossível – exatamente o tipo de evidência que a equipa da UMass Amherst supôs que poderíamos ver em breve.
Mas houve um contratempo: uma experiência semelhante, chamada IceCube, também criada para captar neutrinos cósmicos altamente energéticos, não só não registou o acontecimento, como até nunca tinha registado nada com um centésimo da sua potência. Se o Universo é relativamente denso em BNPs, e estes explodem frequentemente, não deveríamos ser inundados por neutrinos de alta energia? O que é que pode explicar esta discrepância?
“Pensamos que os BNPs com uma ‘carga escura’ – a que chamamos buracos negros primordiais quasi-extremos – são o O que está faltando“, diz Joaquim Iguaz Juan, investigador de pós-doutoramento em física na UMass Amherst e um dos coautores do artigo científico. A carga escura é essencialmente uma cópia da força elétrica habitual tal como a conhecemos, mas que inclui uma versão muito pesada e teórica do eletrão, a que a equipa chama “eletrão escuro”.
“Existem outros modelos mais simples de BNPs”, diz Michael Baker, coautor e professor assistente de física na UMass Amherst; “o nosso modelo de carga escura é mais complexo, o que significa que pode fornecer um modelo mais exato da realidade. O que é tão bom é ver que o nosso modelo consegue explicar este fenómeno que, de outra forma, seria inexplicável”.
“Um BNP com uma carga escura”, acrescenta Thamm, “tem propriedades únicas e comporta-se de formas diferentes de outros modelos BNP mais simples. Mostrámos que isto pode fornecer uma explicação para todos os dados experimentais aparentemente inconsistentes”.
A equipa está confiante de que o seu modelo de BNPs com carga escura não só pode explicar o neutrino, como também pode responder ao mistério da matéria escura. “As observações de galáxias e do fundo cósmico de micro-ondas sugerem que existe algum tipo de matéria escura”, diz Baker.
“Se a nossa hipótese de carga escura for verdadeira”, acrescenta Iguaz Juan, “então pensamos que poderá haver uma população significativa de BNPso que seria consistente com outras observações astrofísicas e explicaria toda a matéria escura em falta no Universo”.
“A observação do neutrino de alta energia foi um acontecimento incrível“, conclui Baker. “Deu-nos uma nova janela para o Universo. Mas podemos agora estar à beira de verificar experimentalmente a radiação Hawking, obter evidências da existência de buracos negros primordiais e de novas partículas para além do Modelo Padrão, e explicar o mistério da matéria escura”.