Há uma probabilidade de 90% de que, na próxima década, os astrónomos registem uma explosão no espaço profundo capaz de validar várias teorias antigas sobre buracos negros - e que, além disso, liberte um inventário completo de todas as partículas existentes, conhecidas e ainda por descobrir.
A previsão surge de um novo estudo de físicos da Universidade de Massachusetts Amherst (UMass Amherst), que defende que estas explosões assinalam o fim de pequenos buracos negros formados nos primórdios do Universo.
Porque estas explosões podem ser muito mais frequentes do que se pensava
Durante muito tempo, estes acontecimentos foram considerados extraordinariamente raros: estimava-se que uma explosão potencialmente observável ocorreria, em média, a cada 100.000 anos. Contudo, a nova análise aponta para um cenário bem diferente, em que uma explosão visível poderia acontecer aproximadamente uma vez a cada 10 anos.
Se isso se confirmar, os instrumentos actuais deverão conseguir detectá-las. A descoberta seria um impulso enorme para a astrofísica por vários motivos: permitiria confirmar, pela primeira vez, a existência deste tipo de buraco negro e ajudaria a esclarecer o mecanismo pelo qual todos os buracos negros acabam por morrer.
Buracos negros primordiais e a radiação de Hawking: um “catálogo” de partículas
O aspecto mais entusiasmante é que uma explosão deste tipo deverá emitir todas as variedades de partículas fundamentais. Isso inclui as que já conhecemos - como electrões e neutrões -, mas também os nossos “desconhecidos conhecidos”, isto é, componentes que suspeitamos existir mas ainda não detectámos, como a matéria escura.
Ainda mais fascinantes seriam os “desconhecidos desconhecidos”: partículas cuja existência nem sequer imaginámos.
“Teríamos também um registo definitivo de cada partícula que compõe tudo no Universo”, afirma Joaquim Iguaz Juan, astrofísico da UMass Amherst. “Isto iria revolucionar por completo a física e ajudar-nos a reescrever a história do Universo.”
Além do impacto teórico, um sinal destes forneceria um alvo claro para observatórios de raios gama, que procuram explosões breves e energéticas no céu. A forma do clarão (a sua duração e o espectro de energias) poderia funcionar como uma assinatura para distinguir este fenómeno de outras fontes, como explosões de estrelas ou actividade de galáxias distantes.
Um evento suficientemente próximo permitiria, ainda, coordenar observações com outros telescópios, para verificar se existe (ou não) emissão em diferentes comprimentos de onda. Mesmo a ausência de sinais adicionais seria informativa, ajudando a limitar modelos sobre como estas explosões se desenvolvem e que partículas efectivamente produzem.
De 1974 até hoje: como nasce a ideia de uma explosão final
A noção de que os buracos negros possam terminar em explosão foi proposta pela primeira vez em 1974 pelo físico Stephen Hawking. Apesar da fama de os buracos negros engolirem tudo o que se aproxima, Hawking mostrou que, devido a efeitos quânticos, eles também deveriam emitir partículas.
Este efeito ficou conhecido como radiação de Hawking. Ao longo do tempo, essa emissão faria o buraco negro perder massa, até evaporar completamente. A radiação em si é demasiado fraca para ser detectada directamente, mas, nos instantes finais, o processo intensificar-se-ia e culminaria numa explosão comparável, em energia libertada, a uma supernova - e essa descarga seria observável.
Para buracos negros de massa estelar, esse fim estaria reservado a um futuro extremamente distante. Os buracos negros supermaciços durariam ainda mais. No entanto, pode existir uma classe muito menor - e, por isso, de vida mais curta - que já esteja a terminar agora.
O que são buracos negros primordiais (PBHs)
Os buracos negros primordiais (PBHs) são hipotéticos buracos negros com massas mais próximas das de asteroides do que das do Sol. A ideia é que se tenham formado nos primeiros instantes após a Grande Explosão, o que explica a designação “primordiais”.
“Quanto mais leve for um buraco negro, mais quente deverá ser e mais partículas irá emitir. À medida que os PBHs evaporam, ficam cada vez mais leves e, por isso, mais quentes, emitindo ainda mais radiação num processo descontrolado até à explosão”, explica Andrea Thamm, física da UMass Amherst.
Porque o Modelo Padrão sugere que já deviam ter desaparecido - e o que pode mudar isso
De acordo com o Modelo Padrão e com a relação entre idade e massa esperada para PBHs, a maioria destes objectos já deveria ter evaporado. Ainda assim, a equipa simulou o que aconteceria se se introduzissem algumas alterações plausíveis ao quadro teórico.
Entre essas hipóteses está a existência de uma versão mais pesada do electrão, a que os investigadores chamam “electrão escuro”. Essa partícula poderia conferir aos PBHs uma forma de carga eléctrica escura, algo que os buracos negros conhecidos não apresentam. Segundo o estudo, estas alterações poderiam abrandar temporariamente a radiação de Hawking, adiando o momento final - e tornando possível que ainda haja “fogo-de-artifício” por observar.
“Mostramos que, se um buraco negro primordial se formar com uma pequena carga eléctrica escura, então o nosso modelo simplificado prevê que ele se torne temporariamente estabilizado antes de, por fim, explodir”, afirma Michael Baker, físico da UMass Amherst.
O que a equipa prevê observar nos próximos anos
Com base nos seus cálculos, os autores concluem que, se os modelos estiverem correctos, um destes episódios deverá ocorrer dentro do alcance dos observatórios de raios gama actuais com uma frequência média de cerca de uma vez por década.
Presenciar uma explosão destas teria consequências imediatas: confirmaria a existência de buracos negros primordiais, forneceria a primeira evidência directa da radiação de Hawking e ofereceria um “conjunto de amostras” de todas as partículas fundamentais que o Universo consegue produzir - incluindo as que hoje desconhecemos.
O estudo foi publicado na revista Cartas de Revisão Física.
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