Como detectar buracos negros primordiais (PBHs) pequenos em planetas e asteroides

Buracos negros primordiais pequenos (PBHs, na sigla em inglês) estão entre os temas mais discutidos hoje em astronomia e cosmologia. Em teoria, esses buracos negros teriam surgido pouco depois do Big Bang, quando regiões de matéria subatómica ficaram tão densas que colapsaram sob a própria gravidade.

Hoje, os PBHs são apontados como uma possível forma de matéria escura, uma fonte potencial de ondas gravitacionais primordiais e até uma saída para diferentes questões em física. Ainda assim, nenhum candidato a PBH foi observado de maneira definitiva, o que tem levado a propostas sobre como poderíamos encontrar esses buracos negros em miniatura.

Trabalhos recentes também sugerem que estrelas de sequência principal, estrelas de neutrões e anãs poderiam abrigar pequenos PBHs no interior, consumindo lentamente o gás disponível.

Por que os buracos negros primordiais (PBHs) voltaram ao centro da cosmologia

Num estudo recente, uma equipa de físicos levou essa linha de raciocínio adiante e propôs um novo caminho para tentar detetar PBHs. A ideia, em resumo, é procurar sinais da passagem deles no interior de corpos como planetas e asteroides - ou então usar grandes placas/lâminas de metal como “alvos” de deteção.

Ao identificar os microcanais que esses objetos deixariam para trás, os cientistas poderiam finalmente confirmar a existência dos PBHs e, com isso, ajudar a esclarecer alguns dos maiores mistérios da cosmologia atual.

A pesquisa foi conduzida por De-Chang Dai, físico da Universidade Nacional Dong Hwa, em Taiwan, e do Centro de Educação e Pesquisa em Cosmologia e Astrofísica (CERCA) da Universidade Case Western Reserve, e por Dejan Stojkovic, físico do grupo de Física de Altas Energias e Cosmologia da Universidade Estadual de Nova York em Buffalo.

O artigo científico que descreve os resultados apareceu recentemente online e está em avaliação para publicação na revista Física do Universo Escuro.

Há décadas, os PBHs despertam curiosidade: cientistas russos, Igor D. Novikov e Yakov Zeldovich, previram a existência deles em 1966. O tema também interessou a Stephen Hawking, cujo trabalho com PBHs contribuiu para a descoberta, em 1974, de que buracos negros podem evaporar ao longo do tempo.

Enquanto buracos negros grandes e intermediários levariam mais tempo para evaporar do que a idade atual do Universo (ca. 13.8 bilhões de anos), PBHs menores já podem ter evaporado - ou podem estar justamente no processo de evaporar.

Ainda assim, o interesse por PBHs ganhou novo fôlego nos últimos anos porque eles podem servir como candidatos à matéria escura, como fonte de ondas gravitacionais (GWs) primordiais, entre outras possibilidades. Como acontece com a matéria escura, a existência desses objetos poderia ajudar a resolver mistérios cosmológicos importantes, mas até agora não há observações confirmadas.

Segundo De-Chang e Stojkovic, por e-mail, foi isso que os levou a sugerir métodos inéditos de deteção:

"If an asteroid, or a moon, or a small planet (planetoid) has a liquid core surrounded by a solid crust, then a small PBH will consume the dense liquid core relatively quickly (within weeks to months). The crust will remain intact if the material is strong enough to support gravitational stress.

Thus, we will end up with a hollow structure. If the central black hole is ejected (due to collisions with other objects), the density will be lower than the usual density of a rocky object with a liquid core."

Planetoides, luas e asteroides ocos como pista de PBHs

Além disso, De-Chang e Stojkovic estimaram a tensão gravitacional que pequenos PBHs gerariam. Em seguida, compararam esse valor com a resistência à compressão de materiais que compõem a crosta de um planeta - como minerais de silicato (rochas), ferro e outros elementos. Eles também levaram em conta materiais manufaturados de alta resistência, como nanotubos de carbono de múltiplas paredes.

"We found, for example, that granite can support hollow structures up to the radius of 1/10 of the Earth's radius," disse Stojkovic. "That is why we should concentrate on planetoids, moons, or asteroids."

Essas contas sugerem uma forma prática de procurar indícios de PBHs tanto no espaço como aqui na Terra. No Sistema Solar, possíveis planetoides, luas ou asteroides candidatos poderiam ser identificados ao observar massa e raio para estimar a densidade desses corpos.

Com isso, astrónomos poderiam selecionar objetos potencialmente ocos para estudos posteriores com sondas, módulos de pouso e outras missões robóticas.

Microtúneis em materiais e a ideia das grandes placas de metal

Como alternativa, os autores recomendam construir sensores capazes de procurar PBHs ao registar sinais da sua passagem. Nas palavras de Stojkovic:

"If a small PBH passes through some solid material, it will leave a straight long tunnel of the radius comparable to the PBH's radius. For example, a 1023 g PBH should leave a tunnel with a radius of 0.1 micron. [The energies] that such PBHs can have are significant, but [the energies] which they deposit into the material are very low. In fact, such a PBH can even pass through a human body, and we would not even notice because human body tissue has a very low tension."

Nessa linha, seria possível procurar microtúneis em materiais comuns que encontramos por aí (como vidro ou rochas). Ao mesmo tempo, segundo De-Chang e Stojkovic, grandes lâminas de metal polido poderiam ser preparadas com o mesmo objetivo. De modo semelhante à deteção de neutrinos, essas lâminas precisariam ficar isoladas para que qualquer mudança súbita nas suas propriedades pudesse ser registada.

"The expected flux of these PBHs is very small and we may end up finding nothing, but a possible payoff of finding a PBHs will be huge, especially since such experiments will be very cheap," disse Stojkovic.

Outras pistas: estrelas, raios gama e microlente gravitacional

Como acrescentou De-Chang, nos últimos anos também se propôs que alguns buracos negros primordiais podem estar escondidos em estrelas. Stephen Hawking chegou a levantar essa hipótese, que serviu de base para dois estudos - um divulgado em 2019 e outro neste último ano.

"It is also proposed that primordial black holes may radiate gamma rays. Strong gamma rays in the Milky Way's dark matter halo can be a good hint for the existence of primordial black holes," disse De-Chang.

"Gravitational microlensing can be another way to identify the primordial black holes."

Este texto foi publicado originalmente pelo Universo Hoje. Leia o artigo original.