Buracos negros podem ter sido criados instantaneamente logo após o Big Bang

Adaptando uma teoria de Stephen Hawking, astrofísicos sugerem que, logo após o Big Bang, objetos primordiais formaram a matéria escura que, embora abundante, jamais foi observada. Novo supertelescópio poderá confirmar a ideia

Paloma Oliveto

postado em 21/12/2021 06:00

(crédito: Handouts/AFP - 29/11/13)

Dois dos mais fascinantes e misteriosos elementos do Universo podem estar intimamente associados, dizem pesquisadores da Universidade de Miami, da Universidade de Yale e da Agência Espacial Europeia. Propondo um modelo alternativo de como surgiu o Cosmos, os astrofísicos sugerem que todos os buracos negros — dos tão pequenos quanto a cabeça de um alfinete até os gigantes, que cobrem bilhões de quilômetros — foram criados instantaneamente após o Big Bang. Essas regiões do espaço das quais nem uma fração de partícula pode escapar seriam os responsáveis pela formação de toda a matéria escura.

Assim, os cientistas sugerem que buracos negros existem desde o início do Universo e que esses corpos primordiais podem ser tão sombrios quanto a até agora inexplicada matéria escura. Se for comprovada com dados coletados pelo Telescópio Espacial James Webb, que será lançado ainda neste mês, a descoberta pode transformar a compreensão científica das origens e da natureza desses dois mistérios cósmicos.

A matéria escura, que nunca foi observada diretamente, é considerada a maior parte da matéria no Universo e atua como o andaime sobre o qual as galáxias se formam e se desenvolvem. Por outro lado, buracos negros, que podem ser encontrados no centro da maioria das galáxias, são observáveis. Trata-se de um ponto no espaço onde a matéria está tão compactada que a gravidade se torna intensa suficiente para que nada escape da região, nem mesmo a luz.

"Nosso estudo prevê como seria o Universo primitivo se, em vez de partículas desconhecidas, a matéria escura fosse feita por buracos negros formados durante o Big Bang — como Stephen Hawking sugeriu na década de 1970", explica, em nota, Nico Cappelluti, professor-assistente de física na Universidade de Miami e primeiro autor do estudo, que será publicado na revista The Astrophysical Journal.

"Isso teria várias implicações importantes", continua Hawking. "Primeiro, não precisaríamos de uma 'nova física' para explicar a matéria escura. Além disso, nos ajudaria a responder a uma das questões mais convincentes da astrofísica moderna: como os buracos negros supermassivos no Universo primitivo cresceram tanto tão rápido? Dados os mecanismos que observamos hoje, no Universo moderno, eles não teriam tido tempo suficiente para se formar. Por fim, também resolveria o antigo mistério de por que a massa de uma galáxia é sempre proporcional à massa do buraco negro supermassivo em seu centro."

Günther Hasinger, diretor da Agência Espacial Europeia (ESA), também enfatiza, em comunicado, que os buracos negros de tamanhos diferentes ainda são um mistério. "Não entendemos como os supermassivos podem ter crescido tanto no tempo relativamente curto disponível desde que o Universo existiu."

O modelo desenvolvido pelos cientistas ajusta a teoria proposta inicialmente por Hawking e seu colega físico Bernard Carr, segundo a qual, na primeira fração de segundo após o Big Bang, pequenas flutuações na densidade do Universo podem ter criado uma paisagem ondulante, com regiões irregulares, que tinha massa extra. Essas áreas desmoronariam em buracos negros.

A teoria não ganhou força científica, mas Cappelluti, Hasinger e Priyamvada Natarajan, astrofísico de Yale, sugerem que ela pode ser válida, com algumas pequenas modificações. O modelo mostra que as primeiras estrelas e galáxias teriam se formado em torno de buracos negros no início do Universo. Eles também propõem que esses corpos primordiais teriam a capacidade de se transformar em objetos supermassivos, se banqueteando com gás e estrelas de sua vizinhança ou se fundindo com outros buracos negros.

"Buracos negros primordiais, se eles existem, podem muito bem ser as sementes das quais todos os supermassivos se formam, incluindo aquele no centro da Via Láctea", disse Natarajan. "O que considero pessoalmente muito empolgante nessa ideia é como ela une elegantemente os dois problemas realmente desafiadores em que trabalho — o de sondar a natureza da matéria escura e a formação e o crescimento de buracos negros — e os resolve de uma só vez."

Radiação

Os buracos negros primordiais também podem resolver outro quebra-cabeça cosmológico: o excesso de radiação infravermelha, sincronizado com a radiação de raios X, que foi detectado em fontes distantes e escuras espalhadas pelo Universo. Os autores do estudo disseram que o crescimento dos primeiros objetos do tipo apresentaria exatamente a mesma assinatura de radiação.

O melhor de tudo, apontam, é que, em um futuro próximo, a existência de buracos negros primordiais pode ser provada — ou desmentida — graças ao telescópio Webb, programado para ser lançado na Guiana Francesa antes do fim deste ano, e à Antena Espacial de Interferômetro Laser liderada pela ESA (LISA), em uma missão planejada para 2030. Desenvolvido por Nasa, ESA e Agência Espacial Canadense para suceder o Hubble, o supertelescópio Webb pode olhar para mais de 13 bilhões de anos atrás.

Se a matéria escura fosse composta de buracos negros primordiais, mais estrelas e galáxias teriam se formado em torno deles no universo primitivo, que é precisamente o que a máquina do tempo cósmica será capaz de ver. "Se as primeiras estrelas e galáxias já se formaram na chamada 'idade das trevas', Webb deve ser capaz de detectar as evidências delas", disse Hasinger. Por sua vez, LISA será capaz de captar sinais de ondas gravitacionais de fusões iniciais de buracos negros primordiais.