Telescópio romano procura buracos negros primordiais

NASANancy Graça Telescópio espacial romano Pode revelar buracos negros “pesados” anteriormente não detectados que têm massas semelhantes à da Terra. Estes buracos negros primordiais, que se formaram no início do Universo, poderão ter um grande impacto na nossa compreensão da astronomia e da física de partículas, explicando potencialmente parte da matéria escura do Universo.

Os astrónomos descobriram buracos negros com massas que variam desde algumas vezes a massa do Sol até dezenas de milhares de milhões. Agora, um grupo de cientistas previu que o Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da NASA será capaz de encontrar uma classe de buracos negros “pesados” que escaparam à descoberta até agora.

Hoje, os buracos negros se formam quando uma estrela massiva entra em colapso ou quando objetos massivos se fundem. No entanto, os cientistas suspeitam que buracos negros “primordiais” mais pequenos, incluindo alguns com massas semelhantes à da Terra, poderão ter-se formado nos primeiros momentos caóticos do Universo primitivo.

“A descoberta de uma população de buracos negros primordiais com a massa da Terra seria um passo surpreendente tanto para a astronomia como para a física de partículas, porque estes objetos não poderiam ter-se formado por nenhum processo físico conhecido”, disse William DiRocco, investigador de pós-doutoramento na UC Santa Fe. Cruz, que liderou um estudo sobre como os romanos os detectaram. Um artigo descrevendo os resultados Foi publicado na revista Revisão física d. “Se os encontrarmos, isso irá abalar o campo da física teórica.”

A descoberta de buracos negros primordiais com a massa da Terra usando o telescópio espacial romano da NASA pode mudar a nossa compreensão do universo e da matéria escura. Fonte: Centro de Voo Espacial Goddard da NASA

Receita primordial do buraco negro

Os menores buracos negros que se formam hoje nascem quando uma estrela massiva fica sem combustível. A sua pressão externa diminui à medida que a fusão nuclear diminui, pelo que a gravidade interna vence o cabo de guerra. A estrela está se contraindo e pode ficar tão densa que se torna… Buraco negro.

Mas existe uma massa mínima necessária: pelo menos oito vezes a massa do nosso Sol. As estrelas mais leves se transformarão em anãs brancas ou em estrelas de nêutrons.

No entanto, as condições no universo primitivo podem ter permitido a formação de buracos negros muito mais leves. Uma pessoa pesando a massa da Terra teria um horizonte de eventos – o ponto sem retorno para a queda de objetos – que é aproximadamente a largura de uma moeda de dez centavos dos EUA.

Assim como o universo nasceu, os cientistas acreditam que ele passou por uma fase curta, mas intensa, conhecida como inflação, quando o espaço se expandiu mais rápido que a velocidade da luz. Nestas condições especiais, regiões que eram mais densas do que as regiões circundantes poderiam ter colapsado para formar buracos negros primordiais de baixa massa.

Embora a teoria preveja que os mais pequenos teriam de evaporar antes que o Universo atingisse a sua idade actual, aqueles com massas semelhantes à da Terra teriam sobrevivido.

A descoberta destes pequenos objetos terá um enorme impacto na física e na astronomia.

“Isso afetará tudo, desde a formação de galáxias até o conteúdo de matéria escura do universo e a história cósmica”, disse Kailash Sahu, astrônomo do Instituto de Ciência do Telescópio Espacial em Baltimore, que não esteve envolvido no estudo. “Confirmar as suas identidades será um trabalho árduo e os astrónomos precisarão de muito convencimento, mas valerá a pena.”

Stephen Hawking levantou a hipótese de que os buracos negros poderiam se contrair lentamente à medida que a radiação escapava. O lento vazamento do que hoje é conhecido como radiação Hawking irá, com o tempo, fazer com que o buraco negro simplesmente evapore. Este infográfico mostra os tempos de vida estimados e os horizontes de eventos — o ponto além do qual os objetos em queda não conseguem mais escapar das garras gravitacionais de um buraco negro — e os diâmetros dos buracos negros de diferentes massas pequenas. Fonte: Centro de Voo Espacial Goddard da NASA

Dicas de proprietários ocultos

As observações já revelaram evidências de que tais objetos podem estar à espreita na nossa galáxia. Os buracos negros primordiais podem ser invisíveis, mas as rugas no espaço-tempo ajudaram a detectar alguns potenciais suspeitos.

Microlente é um efeito observacional causado pela presença de massa que distorce a estrutura do espaço-tempo, como a impressão deixada por uma bola de boliche quando colocada em um trampolim. Sempre que um objeto parece estar se aproximando de uma estrela de fundo da nossa perspectiva, a luz da estrela deve atravessar o espaço-tempo distorcido em torno do objeto. Se o alinhamento for particularmente próximo, o objeto pode atuar como uma lente natural, focando e amplificando a luz da estrela de fundo.

Grupos separados de astrônomos descobriram isso usando dados do MOA (Microlensing Observations in Astrophysics) – uma colaboração que conduz observações de microlentes usando o Observatório da Universidade Mount John na Nova Zelândia – e OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment). Um número inesperadamente grande de objetos isolados da massa da Terra.

As teorias da formação e evolução planetária prevêem certas massas e abundâncias de planetas rebeldes – mundos que vagam pela galáxia, livres de uma estrela. As observações do MOA e do OGLE indicam que há mais objetos da massa da Terra vagando pela galáxia do que os modelos prevêem.

O conceito deste artista adota uma abordagem fantasiosa para imaginar minúsculos buracos negros primordiais. Na verdade, esses pequenos buracos negros teriam dificuldade em formar os discos de acreção que os tornam visíveis aqui. Fonte: Centro de Voo Espacial Goddard da NASA

“Não há como distinguir entre buracos negros com a massa da Terra e planetas rebeldes caso a caso”, disse DiRocco. Mas os cientistas esperam que Roman encontre um número de objetos nesta faixa de massa dez vezes maior do que os telescópios terrestres. “Roman seria muito poderoso na distinção estatística entre os dois.”

DiRocco liderou esforços para determinar quantos planetas rebeldes teriam de estar nesta faixa de massa e quantos buracos negros primordiais os romanos poderiam distinguir entre eles.

Encontrar buracos negros primordiais revelaria novas informações sobre o universo primitivo e sugeriria fortemente que já havia ocorrido um período inicial de inflação. Poderia também explicar uma pequena percentagem da misteriosa matéria escura que os cientistas dizem constituir a maior parte da massa do Universo, mas que ainda não foram capazes de identificar.

“Este é um exemplo emocionante de algo que mais cientistas podem fazer com os dados que Roman já terá durante a sua pesquisa planetária”, disse Sahu. “Os resultados são interessantes, independentemente de os cientistas encontrarem ou não evidências de buracos negros com a massa da Terra. De qualquer forma, isso melhoraria a nossa compreensão do universo.”

Referência: “Detectando buracos negros primordiais com massa terrestre usando o Telescópio Espacial Nancy Grace Roman” por William DiRocco, Evan Frangipani, Nick Hammer, Stefano Profumo e Nolan Smith, 8 de janeiro de 2024, Revisão física d.
doi: 10.1103/PhysRevD.109.023013

O Telescópio Espacial Nancy Grace Roman é operado no Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, com a participação do Jet Propulsion Laboratory da NASA, Caltech/IPAC no sul da Califórnia, o Space Telescope Science Institute em Baltimore, e uma equipe científica que inclui cientistas de ao redor do mundo. Institutos de pesquisa. Os principais parceiros industriais são BAE Systems, Inc. de Boulder, Colorado; L3Harris Technologies em Rochester, Nova York; e Teledyne Scientific & Imaging em Thousand Oaks, Califórnia.