Físicos propõem que um único sinal cósmico, extraordinariamente intenso e captado na Terra, pode estar ligado ao desfecho explosivo de um buraco negro minúsculo, formado no universo primordial.
Hoje, esse mesmo sinal é tratado como um indício de forças ocultas - forças que também poderiam ajudar a explicar a matéria que falta no inventário do cosmos.
A descoberta gira em torno de um neutrino isolado registado por um detetor em águas profundas, com uma energia tão extrema que nenhuma fonte cósmica conhecida consegue justificá-la.
Na Universidade de Massachusetts Amherst (UMass Amherst), o Dr. Michael J. Baker associou o evento a uma classe específica de buracos negros primordiais capaz de gerar explosões desse tipo.
O mesmo enquadramento teórico também esclarece por que o detetor IceCube, na Antártida, que observava uma região diferente do céu, não registou um acontecimento semelhante naquele instante.
Em conjunto, essa assimetria impôs um limite claro aos tipos de buracos negros e aos padrões de emissão que poderiam, de forma plausível, estar por trás do sinal.
Energia extrema da partícula
O relatório descreveu um rasto - o vestígio ténue deixado quando a partícula atravessou a matéria e disparou um sinal detetável - que apontava para a chegada de um neutrino.
Os investigadores estimaram que o rasto de saída transportava cerca de 120 petaelétron-volts (PeV) de energia - o equivalente a um quadrilião de elétron-volts.
Uma análise na cobertura do caso descreveu o valor como 100.000 vezes acima do Grande Colisor de Hádrons, dependendo da escala de energia usada na comparação.
Em energias assim, até pequenas diferenças na física podem ter impacto, motivo pelo qual teóricos passaram a considerar cenários exóticos envolvendo buracos negros.
Neutrinos são difíceis de apanhar
Como interagem muito raramente, os detetores precisam ser gigantescos, já que os cientistas só conseguem “capturar” neutrinos quando, por fim, eles colidem nas proximidades.
Essa colisão produz uma partícula carregada veloz e, com o breve clarão de luz que ela gera, os pesquisadores conseguem reconstruir direção e energia em todo o arranjo do detetor.
O IceCube demonstrou esse método na faixa de PeV num artigo de 2013, ao reportar dois eventos recorde.
Ainda assim, mesmo com esse sucesso, uma deteção extrema isolada pode significar tanto uma nova fonte quanto uma raridade estatística.
Buracos negros evaporam lentamente
Num artigo de 1974, Stephen Hawking defendeu que buracos negros deveriam perder massa aos poucos ao longo do tempo.
Efeitos quânticos próximos à borda podem gerar a radiação de Hawking: partículas que “vazam” energia dos buracos negros, tornando-os mais leves.
À medida que o buraco negro encolhe, a temperatura aumenta, e esse vazamento acelera até chegar aos instantes finais.
Para buracos negros formados por estrelas, esse relógio avança muito além da idade atual do universo, o que impede qualquer explosão num horizonte de tempo próximo.
Buracos negros minúsculos do universo primordial
Algumas teorias admitem buracos negros muito menores, formados cedo, muito antes de qualquer estrela poder colapsar e morrer.
A física chama esses objetos de buracos negros primordiais - buracos negros formados pouco depois da Grande Explosão - abreviados como PBHs.
Como os PBHs poderiam começar com muito menos massa, a radiação de Hawking poderia drená-los depressa o suficiente para terminar numa explosão.
Astrónomos ainda não confirmaram a existência de um PBH, por isso qualquer sinal proposto precisa disputar espaço com alternativas astrofísicas complexas.
Buracos negros com carga escura
A equipa de Baker analisou buracos negros primordiais que carregariam uma “carga escura”, uma força escondida semelhante à eletricidade. Essa carga poderia manter o buraco negro num estado próximo do máximo - ou quase-extremal - durante a maior parte da sua vida.
Ao longo dessa fase prolongada, o buraco negro permaneceria mais frio e libertaria relativamente poucas partículas comuns. Só perto do fim ele perderia rapidamente a energia remanescente, produzindo uma explosão muito mais dura, que se ajusta melhor ao que os detetores observaram.
Numa pré-publicação, o grupo modelou esse sinal como um evento de aproximadamente 100 petaelétron-volts.
O mesmo trabalho destacou que o IceCube já tinha observado cinco neutrinos acima de 1 PeV, mas nenhum que se aproximasse da energia muito mais elevada do evento único registado pelo KM3NeT, um detetor de neutrinos em águas profundas no Mar Mediterrâneo.
Explosões de PBHs sem carga teriam produzido demasiados eventos de energia intermediária, mas a carga escura suprime esse fluxo de forma mais intensa.
Com essa supressão, os dois detetores podem ser compatíveis com uma mesma população subjacente, sem entrar em conflito evidente com limites atuais baseados em raios gama.
Neutrinos ligados à matéria escura
Baker também considerou os PBHs como matéria escura - massa invisível que, pela gravidade, influencia as galáxias - porque adicionariam massa sem emitir luz.
Cosmólogos usam o fundo cósmico de micro-ondas, a radiação remanescente da Grande Explosão, para estimar quanto dessa massa existe.
A análise do satélite Planck indicou que os átomos comuns não conseguem fornecer todo o orçamento de matéria do universo.
“Observações de galáxias e do fundo cósmico de micro-ondas sugerem que algum tipo de matéria escura existe”, afirmou Baker.
Rumos para pesquisas futuras
Novas deteções vão pôr à prova a ideia da carga escura, já que uma população real de PBHs deveria repetir o mesmo padrão de energia.
Essas explosões também podem revelar, nos seus detritos, partículas além do Modelo Padrão - o inventário de partículas e forças mais testado até hoje.
“Mas agora podemos estar à beira de verificar experimentalmente a radiação de Hawking, obter evidências tanto de buracos negros primordiais quanto de novas partículas além do Modelo Padrão e explicar o mistério da matéria escura”, concluiu Baker.
Se futuros eventos se alinharem com fontes convencionais, ou se outros detetores voltarem a permanecer em silêncio, a hipótese dos PBHs perderá força.
Uma única partícula extrema levou os investigadores a ligar, numa mesma narrativa, a evaporação de buracos negros, a estatística dos detetores e a massa em falta no universo.
À medida que KM3NeT e IceCube acumulam mais dados, a próxima explosão rara ou vai reforçar o caso, ou vai enfraquecê-lo.
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