Ondas gravitacionais podem revelar matéria escura transformando estrelas de nêutrons em buracos negros – Physics World

Ondas gravitacionais podem revelar matéria escura transformando estrelas de nêutrons em buracos negros – Physics World

Carimbo de data / hora: 19 de setembro de 2023 10:39

Estrêla de Neutróns
Transformação: estrelas de nêutrons podem reunir matéria escura que as transforma em pequenos buracos negros. (Cortesia: NASA Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab)

Uma equipe de físicos teóricos na Índia mostrou que as ondas gravitacionais poderiam revelar o papel que a matéria escura poderia desempenhar na transformação de estrelas de nêutrons em buracos negros.

A matéria escura é uma substância hipotética e invisível invocada para explicar o curioso comportamento de estruturas de grande escala, como galáxias e aglomerados de galáxias – comportamento que não pode ser explicado apenas pela gravidade.

Se existir, a matéria escura deve interagir com a matéria comum através da gravidade. No entanto, alguns modelos prevêem que a matéria escura também poderia interagir com a matéria comum através de interações não gravitacionais muito fracas.

Fraco, mas suficiente

“Interação não gravitacional significa que se espera que [partículas de matéria escura] tenham algum tipo de interação com prótons e nêutrons”, Sulagna Bhattacharya disse Mundo da física. Bhattacharya é um estudante graduado no Instituto Tata de Pesquisa Fundamental em Mumbai, que acrescenta: “Essas interações podem ser muito fracas, mas podem ser suficientes para permitir que as partículas de matéria escura sejam capturadas dentro de uma estrela de nêutrons”.

Estrelas de nêutrons são os remanescentes densos do núcleo de estrelas massivas que explodiram como supernovas. São muito pequenos, talvez com uma dúzia de quilómetros de diâmetro, mas com massas maiores que a do Sol. O núcleo de uma estrela de nêutrons é tão denso que poderia aumentar a probabilidade de interações entre a matéria normal e a matéria escura.

A massa teórica máxima que uma estrela de nêutrons pode ter é de 2.5 massas solares, mas na prática a maioria é muito menor, em torno de 1.4 massas solares. Estrelas de nêutrons com massa superior a 2.5 massas solares sofrerão colapso gravitacional para formar buracos negros.

Fechando a lacuna

Buracos negros de massa estelar também podem se formar diretamente a partir de supernovas (explosões de grandes estrelas), mas a modelagem teórica sugeriu que buracos negros não deveriam existir entre 2–5 massas solares. Até recentemente, isto era apoiado por evidências observacionais. No entanto, a partir de 2015, observações de ondas gravitacionais provenientes das fusões de pares de buracos negros revelaram a existência de buracos negros dentro desta lacuna de massa.

Por exemplo, GW 190814 foi um evento de onda gravitacional detectado em 2019 que envolveu um objeto com massas solares entre 2.50 e 2.67. Outro evento misterioso foi GW 190425, também detectado em 2019, em que o objeto combinado tinha uma massa de 3.4 massas solares. Esta é uma massa total substancialmente maior do que qualquer sistema estelar binário de nêutrons conhecido.

Agora Bhattacharya, seu supervisor Basudeb Dasgupta, mais Ranjan Laha do Instituto Indiano de Ciência e Raio Anupam da Universidade da Califórnia, Berkeley, sugeriram que a acumulação de matéria escura no núcleo de uma estrela de nêutrons aumentaria a densidade do núcleo a ponto de colapsar em um buraco negro em miniatura. Este buraco negro cresceria então e engoliria a estrela de nêutrons. O resultado seria um buraco negro com massa menor do que o esperado. E a detecção de tais buracos negros de baixa massa seria uma evidência tentadora da matéria escura.

“Astrofisicamente exótico”

“Estes objetos compactos seriam astrofisicamente exóticos”, diz Bhattacharya, autor principal de um artigo que descreve esta hipótese em Physical Review Letters. O artigo deles apresenta GW 190814 e GW 190425 como fusões que poderiam ter envolvido buracos negros feitos com a ajuda da matéria escura.

Quer existam ou não buracos negros convertidos a partir de estrelas de nêutrons, Bhattacharya diz que procurá-los fornecerá “algumas restrições significativas nas interações da matéria escura com os núcleons”. Como resultado, o número crescente de fusões observadas poderia permitir aos físicos avaliar diferentes modelos de matéria escura.

Outra possibilidade é que os objetos de baixa massa observados em GW 190814 e GW 190425 sejam buracos negros primordiais que se formaram imediatamente após o Big Bang. No entanto, algumas teorias sugerem que os buracos negros primordiais podem ser um componente da matéria escura – portanto, o estudo das fusões poderia fornecer ainda mais informações sobre a natureza da matéria escura.

Na verdade, a principal vantagem de usar ondas gravitacionais para procurar evidências de matéria escura é que é o meio mais sensível que temos para detectar as tênues interações não gravitacionais da matéria escura com a matéria normal.

Isso porque a observação de ondas gravitacionais não está sujeita ao “piso de neutrinos”, o que limita os experimentos que visam detectar diretamente a matéria escura. O piso refere-se ao fato de que os neutrinos são uma fonte significativa de ruído de fundo em detectores de matéria escura, como LUX-ZEPLIN.

“O método sugerido por nós pode sondar regiões que estão fora do alcance desses detectores terrestres devido à exposição limitada e à sensibilidade do detector”, diz Bhattacharya.

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