Cientistas dizem que o LIGO pode ter detetado o primeiro buraco negro primordial.

Os buracos negros primordiais (BNPs) são uma classe particularmente invulgar de buracos negros, que, segundo a hipótese mais aceite, terá surgido a partir de regiões extremamente densas de matéria subatómica menos de um segundo após o Big Bang. Um novo estudo descreve o que poderá vir a ser a primeira observação directa de um destes objectos.

Confirmar essa possibilidade pode demorar anos, mas o potencial impacto científico é enorme.

Buracos negros “normais” vs. buracos negros primordiais (BNPs)

Na maioria dos casos, os buracos negros conhecidos formam-se quando uma estrela muito massiva termina a vida numa supernova e o seu núcleo colapsa. Já os buracos negros primordiais (BNPs) não dependem de uma estrela: teriam nascido nos instantes iniciais do Universo, quando pequenas flutuações de densidade poderiam ter gerado “bolsas” de matéria tão compactas que colapsaram sob a própria gravidade.

Durante muito tempo, os BNPs existiram sobretudo no domínio da teoria. Ainda assim, tem vindo a acumular-se evidência recente que, embora indirecta, sugere que poderão ser reais.

LIGO, ondas gravitacionais e um sinal com massa inferior a uma massa solar

Os astrofísicos Alberto Magaraggia e Nico Cappelluti, da Universidade de Miami, identificaram mais um possível candidato a BNP recorrendo ao Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferometria Laser (LIGO), que opera em duas instalações, no estado de Washington e na Louisiana.

O LIGO detecta ondas gravitacionais - ondulações no tecido do espaço-tempo - frequentemente geradas quando dois buracos negros colidem. Um dos sinais recolhidos e analisados pela equipa aponta para uma colisão em que um dos objectos tinha massa inferior a uma massa solar (isto é, menos do que a massa do Sol), o que o torna um candidato plausível a buraco negro primordial.

Segundo Cappelluti, “os buracos negros mais comuns formam-se como resultado de uma supernova, a morte de uma estrela massiva”. Por isso, acrescenta, “as suas massas podem variar desde algumas vezes a massa do Sol até milhares de milhões de massas solares”.

Os buracos negros primordiais, pelo contrário, são teoricamente esperados com massas muito mais baixas.

Cappelluti defende ainda que “acreditamos que o nosso estudo ajudará a confirmar que [os BNPs] de facto existem”.

S251112cm: o que ainda falta demonstrar

Apesar de a interpretação ser promissora, os próprios autores sublinham que é necessário examinar mais profundamente o sinal, conhecido como S251112cm, para se concluir com certeza. Ainda assim, afirmam que a presença de um buraco negro primordial com massa subsolar é, neste momento, a explicação mais provável para o evento.

Com que frequência o LIGO deverá encontrar BNPs?

Para além de interpretar o sinal, Magaraggia e Cappelluti efectuaram cálculos sobre a frequência esperada de BNPs no espaço e, a partir daí, estimaram com que regularidade o LIGO deveria detectá-los. O resultado, dizem, é coerente com o histórico de detecções do LIGO desde que começou a observar ondas gravitacionais, em 2015.

“Procurámos estimar quantos buracos negros primordiais poderão existir no Universo e quantos deles o LIGO deverá conseguir detectar”, explica Magaraggia.

“E os nossos resultados são encorajadores. Prevemos que buracos negros subsolares como aquele que o LIGO poderá ter observado devem ser, de facto, raros - o que é compatível com a baixa frequência com que eventos deste tipo têm sido vistos até agora.”

Porque é tão difícil detectar buracos negros primordiais (BNPs)?

Tal como os buracos negros mais “comuns”, os BNPs não deixam escapar luz, o que os torna inerentemente difíceis de observar. Além disso, tudo indica que podem ser mais pequenos do que muitos buracos negros conhecidos - em certos cenários, chegando a dimensões comparáveis às de um asteróide.

Somam-se ainda as limitações de olhar para trás ao longo de milhares de milhões de anos de história cósmica. Na prática, detectar BNPs aproxima-se de procurar agulhas num palheiro à escala do Universo.

Ainda assim, se estes objectos puderem ser identificados e mapeados, poderão ajudar a esclarecer outro grande enigma cosmológico: a matéria escura.

Matéria escura e o papel potencial dos BNPs

À semelhança dos BNPs, a matéria escura continua a ser hipotética. No entanto, muitos astrofísicos consideram provável que ela represente cerca de 85% da massa do Universo e que seja essencial para manter a estrutura cósmica coesa. Embora não a vejamos directamente, a sua existência é inferida por efeitos mensuráveis no comportamento do espaço e do tempo - isto é, pela forma como a gravidade actua em escalas galácticas e cosmológicas.

Alguns especialistas defendem que os buracos negros primordiais poderão constituir a maior parte da matéria escura. A ideia é que teria existido um número impressionantemente elevado destes buracos negros desde o início, começando com tamanhos incrivelmente pequenos e, ao longo do tempo, distribuindo-se pelo espaço.

Um ponto importante é que esta hipótese pode ser testada por múltiplas vias observacionais: além das ondas gravitacionais, também fenómenos como o lenteamento gravitacional (quando um objecto massivo amplifica a luz de algo que está por trás) podem impor limites à quantidade e ao tipo de BNPs que poderiam existir.

Em paralelo, medições do fundo cósmico de micro-ondas e da distribuição de galáxias também ajudam a restringir cenários em que BNPs demasiado numerosos alterariam a evolução do Universo de formas incompatíveis com o que observamos hoje. É precisamente por isso que cada novo candidato detectado é tão valioso: acrescenta dados a um puzzle em que várias peças precisam de encaixar.

O futuro: mais detectores, mais oportunidades (LIGO e LISA)

Para se validar definitivamente a existência dos BNPs, será necessário observar mais eventos semelhantes. Isso deverá tornar-se progressivamente mais provável à medida que infra-estruturas como o LIGO continuem a ser melhoradas e que novos instrumentos entrem em funcionamento - como a Antena Espacial de Interferometria (LISA), um detector de ondas gravitacionais da Agência Espacial Europeia, com lançamento previsto para 2035.

Nas palavras de Cappelluti, o LIGO captou “uma evidência muito forte de que estes tipos de buracos negros existem”, mas será preciso detectar “outro sinal deste tipo, ou mesmo vários, para obter a confirmação definitiva”.

“O que é claro”, conclui, “é que não podem ser excluídos como sendo reais.”

A investigação será publicada numa próxima edição do Jornal Astrofísico e está disponível no arXiv.