Uma impressionante nova teoria conecta buracos negros, matéria escura e ondas gravitacionais

Os últimos anos têm sido incríveis para as descobertas da física. Cientistas encontraram o Bóson de Higgs, uma partícula que eles estavam caçando há quase 50 anos, em 2012, e as ondas gravitacionais, que foram teorizadas 100 anos atrás, em 2016. Esse ano, eles estão prontos para tirar uma foto de um buraco negro. Então, pensaram alguns teóricos, por que não combinar todas as loucas ideias da física em um grande cozido da física? E se nós, digamos, tentarmos encontrar a matéria escura que irradia de um buraco negro através de suas ondas gravitacionais?

Não é uma ideia tão estranha assim. Agora que os cientistas detectaram as ondas gravitacionais, perturbações no espaço-tempo criadas pelos eventos físicos mais violentos, eles querem usar sua descoberta para fazer observações físicas verdadeiras. Eles acham que têm uma forma de encontrar todas as novas partículas que podem formar a matéria escura, uma substância desconhecida que contabiliza 80% da gravidade do universo.

“A ideia básica é que nós estamos tentando usar os buracos negr, os objetos mais densos e compactos do universo, para buscar novos tipos de partículas”, Masha Baryakhtar, pesquisadora de pós-doutorado no Perimeter Institute for Theoretical Physics no Canadá, disse ao Gizmodo. Especialmente uma partícula: “a áxion. As pessoas têm procurado por ela já há 40 anos”.

Os buracos negros são as fossas do universo, tão fortes que a luz não consegue escapar da sua atração quando já entrou neles. Eles têm campos gravitacionais tão poderosos que podem produzir ondas gravitacionais quando colidem uns com os outros. A matéria escura pode não ser feita de partículas (formadas de massa e energia), mas, se fosse, nós poderíamos observá-la através dos áxions, partículas de cerca de um quintilhão de vezes mais leves que um elétron, que ficam ao redor dos buracos negros. Agora que você entende todos os termos, vamos ver como a teoria funciona.

Baryakhtar e seus colegas acham que os buracos negros são mais do que apenas armadilhas para a luz: são núcleos de uma espécie de átomo gravitacional. Os áxions seriam os elétrons, por assim dizer. Se você já conhece os buracos negros, deve entender que eles têm discos de gás de energia incrivelmente quentes circulando ao seu redor, produzidos pela fricção entre as partículas aceleradas pela gravidade do buraco negro. Essa teoria ignora isso tudo, já que os áxions não interagem através de fricção.

Mantendo a analogia do átomo, os áxions podem pular pelo buraco negro, ganhando e perdendo energia da mesma forma que os elétrons. Mas os elétrons interagem através de eletromagnetismo, então eles liberam ondas eletromagnéticas, ou ondas de luz. Áxions interagem através da gravidade, então eles dispersam ondas gravitacionais. Mas, como eu disse antes, os áxions são minúsculos. Diferentemente de um átomo minúsculo, os buracos negros nesses “átomos gravitacionais” giram, sobrecarregando o espaço ao seu redor e o incentivando a produzir mais áxions. Apesar da pequena massa dos áxions, esse processo chamado supe rradiação pode gerar 10^80 áxions, o mesmo número de átomos em todo o universo, ao redor de um único buraco negro. Você está acompanhando? Uma bolha giratória louca cria várias coisas malucas.

O mais louco de tudo é que nós deveríamos conseguir ouvir um zumbido desses áxions se movendo e soltando ondas gravitacionais na direção dos nossos aparelhos, similar à forma como conseguimos ver linhas espectrais saindo de elétrons em átomos na nossa aula de química. “Você veria isso a uma frequência específica que seria aproximadamente duas vezes a massa do áxion”, disse Baryakhtar.

Existem detectores de ondas gravitacionais gigantes ao redor do mundo; atualmente existe um chamado LIGO ( (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) em Washington State, outro LIGO em Louisiana, e um chamado Virgo, na Itália, que são sensíveis o bastante para detectar ondas gravitacionais e, com melhoras, para detectar áxions e provar sua teoria. Cientistas essencialmente precisariam gravar os dados, tocá-los e sintonizar suas análises como um rádio para captar o sinal na frequência exata.

Existem outras formas que o time acha que pode localizar esse efeito de super radiação, ao medir os spins de conjuntos de buracos negros em colisão. Se os buracos negros realmente produzem áxions, os cientistas veriam muito poucos buracos negros em rotação rápida colidindo, já que os efeitos da super radiação diminuiriam a velocidade de alguns buracos negros em colisão e criariam um efeito visível nos dados, de acordo com a pesquisa publicada nesse mês, no Physical Review D. Os spins do buraco negro teriam um padrão específico que nós conseguiríamos identificar nos dados dos detectores de ondas gravitacionais.

Outros cientistas ficaram imediatamente empolgados com a pesquisa. “Eu sou sempre muito empolgada com novas formas de encontrar minha partícula preferida, a áxion! Além da super radiação!”, disse a Dra. A Chanda Prescod-Weinstein, da Universidade de Washington, ao Gizmodo, por email. “É tão legal, e eu não lia uma pesquisa que falava sobre super radiação há anos. Então, foi muito divertido ver super radiação e áxions em uma mesma pesquisa.”

Existem alguns empecilhos, assim como com qualquer teoria. Esses átomos de buraco negro teorizados teriam de produzir áxions de certa massa, mas essa massa não é a ideal para um áxion ser uma partícula de matéria escura, disse Prescod-Weinstein. Além do mais, a segunda ideia de detecção, a que observa a taxa de spin de buracos negros em colisão, pode não funcionar. “Eles dizem [na pesquisa] que eles não levam em conta a influência potencial de outro buraco negro” no par em colisão, Dr. Lionel London, um pesquisador associado da Cardiff University School of Physics and Astronomy especializado em modelos de ondas gravitacionais, disse ao Gizmodo. “Se isso se transformar em um efeito significativo e eles não estiverem o incluindo, pode lançar dúvidas em seus resultados.” Mas existe esperança. “Existem bons motivos para acreditar que o efeito de um buraco negro companheiro não seja grande.”

Quando nós veríamos esse tipo de evento? No momento, os detectores de ondas gravitacionais LIGO e o Virgo provavelmente não estão prontos. “Com a nossa sensibilidade atual, estamos no limiar” de detectar áxions, disse Baryakhtar. “Mas LIGO vai continuar a melhorar seus instrumentos e quando ele estiver ajustado poderemos ver até mil desses sinais de áxions vindo”, ela disse. Milhares de murmúrios desses átomos de buracos negros.

Então, se você chegou até aqui na história e ainda não entendeu o que está acontecendo, uma revisão: nós temos esses detectores de ondas gravitacionais que custam centenas de milhões de dólares cada, que são bons em encontrar coisas malucas acontecendo no nosso universo. Os teóricos descobriram uma forma interessante de usá-los para resolver um dos mistérios interestelares mais importantes: O que diabos é a matéria escura? Como a maioria das ideias de física teórica, isso é algo interessante de se pensar mas ainda não está pronta para brilhar… ainda.

“Eu acho que a escala de tempo é sempre uma preocupação, mas nós acabamos de começar as descobertas com o LIGO”, disse Prescod-Weinstein. “Então quem sabe o que vamos descobrir nos próximos 10 anos?”

[Phys. Rev. D]