Estudo afirma que podemos ter visto um tipo especial de buraco negro explodir.

A humanidade chegou a um ponto em que conseguimos detetar uma única partícula de altíssima energia vinda do espaço e perguntar-nos de onde, na natureza, ela terá surgido.

Provavelmente milhares de milhões de pessoas não ligam minimamente a este tipo de assunto. Ainda assim, para quem tem curiosidade natural e a sorte de poder dedicar tempo a explorá-la, a deteção, em 2023, de um neutrino extremamente energético foi um acontecimento notável - e poderá mesmo vir a revelar-se histórico.

O Telescópio de Neutrinos de Um Quilómetro Cúbico, conhecido como KM3NeT, identificou esse neutrino de energia extrema a partir da sua instalação no fundo do Mar Mediterrâneo. Com 220 PeV, a partícula transportava mais energia do que qualquer coisa produzida no nosso acelerador de partículas mais potente, o Large Hadron Collider.

O Sol emite continuamente um fluxo de neutrinos - os chamados neutrinos solares - mas, em termos energéticos, são pouco intensos.

KM3-230213A, o nome atribuído ao neutrino de 100 PeV, ultrapassa largamente a energia típica associada aos neutrinos provenientes do Sol. Esse evento foi mil milhões de vezes mais energético do que um neutrino solar médio.

Não existe uma grande variedade de fenómenos astrofísicos capazes de “carregar” um neutrino a este nível. Na verdade, nenhum objeto ou processo atualmente bem compreendido consegue explicá-lo.

Entre as hipóteses apontadas estão transientes óticos alimentados por pulsares, explosões de raios gama, decaimento de matéria escura, núcleos galácticos ativos, fusões de buracos negros e várias explicações baseadas em diferentes tipos de buracos negros primordiais.

Uma nova investigação publicada na Physical Review Letters apresenta mais uma possibilidade - também assente em buracos negros primordiais. O artigo chama-se “Explaining the PeV neutrino fluxes at KM3NeT and IceCube with quasiextremal primordial black holes”, e o autor principal é Michael Baker, professor assistente de física na University of Massachusetts, Amherst.

“Recentemente, a experiência KM3NeT observou um neutrino com uma energia em torno de 100 PeV, e o IceCube detetou cinco neutrinos com energias acima de 1 PeV”, escrevem os autores. “Embora não existam fontes astrofísicas conhecidas, buracos negros primordiais em explosão poderão ter produzido estes neutrinos de alta energia.”

Os buracos negros primordiais (PBHs) são completamente hipotéticos. Segundo a teoria, ao contrário dos buracos negros de massa estelar, os PBHs não precisam da explosão e colapso de uma estrela massiva para se formarem. Em vez disso, teriam surgido imediatamente após o Big Bang, a partir de aglomerados densos de matéria subatómica, numa fase em que a física do Universo era muito diferente.

Os PBHs são muito menores do que buracos negros de massa estelar, mas continuam a ser incrivelmente densos, e a velha máxima de que “nada, nem mesmo a luz, consegue escapar a um buraco negro” aplica-se igualmente. Contudo, os PBHs partilham mais uma característica com os seus “parentes”: a Radiação de Hawking.

Stephen Hawking desenvolveu a ideia da Radiação de Hawking (RH). De acordo com este conceito, com o passar do tempo a RH reduz a massa de um buraco negro e, eventualmente, o buraco negro evapora - a menos que acumule mais matéria.

O problema é que, em geral, a RH é tão fraca que fica muito abaixo do limiar de deteção mesmo dos nossos telescópios mais capazes. Embora seja indetetável em torno de buracos negros de massa estelar, a situação pode ser diferente no caso de PBHs muito mais leves.

“Quanto mais leve for um buraco negro, mais quente deverá ser e mais partículas irá emitir”, afirmou a coautora Andrea Thamm, professora assistente de física na UMass Amherst, num comunicado de imprensa.

“À medida que os PBHs evaporam, tornam-se cada vez mais leves e, por isso, mais quentes, emitindo ainda mais radiação num processo descontrolado até à explosão. É essa radiação de Hawking que os nossos telescópios conseguem detetar.”

À medida que os PBHs evaporam através de RH num regime de aceleração contínua, acabam por entrar numa fase final de libertação intensa. No último segundo, aquecem de forma extrema e sofrem uma evaporação explosiva. Esse desfecho pode gerar neutrinos de alta energia como o KM3-230213A.

Os investigadores consideram que isto poderá ocorrer, aproximadamente, uma vez por década, e que as explosões podem produzir uma verdadeira cornucópia de partículas subatómicas. Não apenas as já conhecidas - como eletrões e quarks - mas também partículas que, por agora, são apenas hipotéticas, além de outras que podem ser totalmente desconhecidas.

A equipa de investigação entende que o KM3-230213A poderá ser um indício de evaporação de PBHs. Contudo, existe um obstáculo. O Observatório de Neutrinos IceCube não detetou este evento e, na verdade, nunca observou um neutrino sequer perto de ser tão energético quanto o KM3-230213A.

Se uma explosão por evaporação de PBH acontece uma vez por década, o IceCube não deveria ter registado pelo menos uma? O IceCube está a observar há 20 anos.

Os autores sugerem que poderá estar em causa um tipo invulgar de PBH.

“Acreditamos que os PBHs com uma ‘carga escura’ - aquilo a que chamamos PBHs quase-extremais - são o elo que faltava”, diz Joaquim Iguaz Juan, investigador pós-doutorado em física na UMass Amherst e um dos coautores do artigo.

Segundo os investigadores, PBHs com carga escura - que é, basicamente, uma versão muito pesada e hipotética do eletrão, um “eletrão escuro” - passam a maior parte do tempo num estado quase-extremal. Nesse estado, o PBH está muito próximo do rácio máximo possível entre carga e massa.

O IceCube e o KM3NeT estão calibrados para faixas de energia diferentes. O IceCube está limitado a 10 PeV, o que pode explicar por que motivo nunca detetou o KM3-230213A.

Para Baker, a complexidade adicional introduzida por um PBH com carga escura reforça a credibilidade da explicação proposta.

“O nosso modelo com carga escura é mais complexo, o que significa que pode fornecer um modelo mais fiel da realidade”, afirma Baker. “O mais incrível é ver que o nosso modelo consegue explicar este fenómeno que, de outra forma, não teria explicação.”

Este artigo foi originalmente publicado pela Universe Today. Leia o artigo original.