Buracos negros primordiais e a busca por matéria escura do multiverso

O Instituto Kavli de Física e Matemática do Universo (Kavli IPMU) é o lar de muitos projetos interdisciplinares que se beneficiam da sinergia de uma ampla gama de conhecimentos disponíveis no instituto. Um desses projetos é o estudo de buracos negros primordiais (PBHs) que poderiam ter se formado no início do universo, antes do nascimento de estrelas e galáxias.

Em particular, existe uma possibilidade excitante de que a misteriosa matéria escura, que responde pela maior parte da matéria no universo, seja composta de buracos negros primordiais.

O Prêmio Nobel de Física de 2020 foi concedido a um teórico, Roger Penrose, e a dois astrônomos, Reinhard Genzel e Andrea Ghez, por suas descobertas que confirmaram a existência de buracos negros. Como os buracos negros são conhecidos por sua existência na natureza, eles são um candidato muito atraente para a matéria escura.

O recente progresso na teoria fundamental, astrofísica e observações astronômicas em busca de PBHs foi feito por uma equipe internacional de físicos de partículas, cosmologistas e astrônomos, incluindo os membros do Kavli IPMU. Para aprender mais sobre os buracos negros primordiais, a equipe de pesquisa olhou para o início do universo em busca de pistas.

O universo inicial era tão denso que qualquer flutuação de densidade positiva de mais de 50 por cento criaria um buraco negro. No entanto, as perturbações cosmológicas que semearam galáxias são conhecidas por serem muito menores. No entanto, vários processos no universo primitivo poderiam ter criado as condições certas para a formação dos buracos negros.

Uma possibilidade empolgante é que buracos negros primordiais possam se formar a partir dos "universos bebês" criados durante a inflação, um período de rápida expansão que se acredita ser responsável por semear as estruturas que observamos hoje, como galáxias e aglomerados de galáxias. Durante a inflação, os universos bebês podem ramificar-se de nosso universo. Um pequeno universo bebê (ou "filhas") eventualmente entraria em colapso, mas a grande quantidade de energia liberada no pequeno volume causa a formação de um buraco negro.

Tamanho crítico

Um destino ainda mais peculiar fica reservado a um universo bebê grande. Se for maior do que um tamanho crítico, a teoria da gravidade de Einstein permite que o universo bebê exista em um estado que parece diferente para um observador por dentro e por fora. Um observador interno o vê como um universo em expansão, enquanto um observador externo (como nós) o vê como um buraco negro. Em ambos os casos, o grande e o pequeno universo bebê são vistos por nós como buracos negros primordiais, que ocultam a estrutura subjacente de múltiplos universos por trás de seus "horizontes de eventos". O horizonte de eventos é um limite abaixo do qual tudo, mesmo a luz, está preso e não pode escapar do buraco negro.

Por que o HSC foi indispensável nesta pesquisa? O HSC tem a capacidade única de criar imagens de toda a galáxia de Andrômeda a cada poucos minutos. Se um buraco negro passar pela linha de visão de uma das estrelas, a gravidade do buraco negro dobra os raios de luz e faz com que a estrela pareça mais brilhante do que antes por um curto período de tempo. A duração do brilho da estrela informa aos astrônomos a massa do buraco negro. Com as observações do HSC, pode-se observar simultaneamente cem milhões de estrelas, lançando uma ampla rede de buracos negros primordiais que podem estar cruzando uma das linhas de visão.

As primeiras observações do HSC já relataram um evento candidato muito intrigante consistente com um PBH do "multiverso", com uma massa de buraco negro comparável à massa da lua. Estimulada por este primeiro sinal e orientada pelo novo entendimento teórico, a equipe está conduzindo uma nova rodada de observações para estender a pesquisa e fornecer um teste definitivo para saber se os PBHs do cenário multiverso podem dar conta de toda a matéria escura.