Poderíamos detectar buracos negros do tamanho de um átomo?

Uma das previsões mais intrigantes da teoria geral da relatividade de Einstein é a existência de buracos negros: objetos astronômicos com campos gravitacionais tão fortes que nem mesmo a luz pode escapar deles.

Quando uma estrela suficientemente massiva fica sem combustível, ela explode e o núcleo restante colapsa, levando à formação de um buraco negro estelar (variando de 3 a 100 massas solares).

Buracos negros supermassivos também existem no centro da maioria das galáxias. Estes são o maior tipo de buraco negro, contendo entre cem mil e dez bilhões de vezes mais massa que o nosso Sol.

Até agora, os astrônomos capturaram imagens de dois buracos negros supermassivos: um no centro da galáxia M87 e o mais recente em nossa Via Láctea ( Sagitário A* ).

Esta animação mostra uma comparação de tamanho entre esses dois gigantes:

Mas acredita-se que exista outro tipo de buraco negro – o buraco negro primordial ou primitivo (Primordial black hole ou as siglas PBHs em inglês). Estes têm uma origem diferente de outros buracos negros, tendo-se formado no início do universo através do colapso gravitacional de regiões extremamente densas.

Teoricamente, esses buracos negros primordiais podem possuir qualquer massa e podem variar em tamanho de uma partícula subatômica a várias centenas de quilômetros. Por exemplo, um PBH com massa equivalente ao Monte Everest poderia ter o tamanho de um átomo.

Esses minúsculos buracos negros perdem massa a um ritmo mais rápido do que suas contrapartes massivas, emitindo a chamada radiação Hawking , até que finalmente evaporam.

Até agora, os astrônomos não conseguiram observar PBHs. Este é um assunto de pesquisa em andamento, uma vez que se supõe que esses objetos ultracompactos possam fazer parte da tão procurada matéria escura do universo .

Um cenário alternativo para detectar buracos negros primordiais do tamanho de um átomo é proposto em uma publicação recente . Nesta pesquisa, é estudado o sinal característico da interação entre um desses minúsculos buracos negros e um dos objetos mais densos do universo (uma estrela de nêutrons).

Antes de embarcar nesse novo modelo astrofísico, vamos agora comentar as principais características dessas estrelas fascinantes.

Um dos objetos mais densos do universo

Como mencionado anteriormente, quando uma estrela massiva fica sem combustível, ela explode e seu núcleo colapsa, resultando em um buraco negro estelar. Deve-se enfatizar que este não é o caso em todos os cenários: por exemplo, se o núcleo em colapso for menos maciço do que cerca de três massas solares, uma estrela de nêutrons é formada.

Estes são objetos muito pequenos e extremamente densos. Por exemplo, considere uma estrela com 1,5 massas solares comprimida em uma esfera de apenas 20 quilômetros de diâmetro.

A densidade de uma estrela de nêutrons é extremamente alta: uma colher de sopa de material estelar pesaria milhões de toneladas!

As estrelas de nêutrons mais jovens pertencem a uma subclasse chamada pulsares , que giram em velocidades extremamente altas (ainda mais rápido que um liquidificador de cozinha). Esses pulsares emitem radiação na forma de feixes estreitos que periodicamente atingem a Terra.

Com o tempo, esses objetos esfriam e perdem sua velocidade de rotação, sendo difíceis de detectar (apenas os pulsares mais energéticos foram observados).

A interação de um PBH de tamanho atômico com uma estrela de nêutrons

Buracos negros primordiais podem estar localizados em regiões galácticas onde a concentração de matéria escura é notavelmente alta. Assim, eles poderiam vagar pelo Universo (movendo-se em diferentes velocidades e direções) e eventualmente interagir com outros objetos astronômicos (como buracos negros ou estrelas de nêutrons).

Nesse sentido, um PBH do tamanho de um átomo poderia encontrar uma velha estrela de nêutrons (cuja temperatura é notavelmente baixa e perdeu praticamente toda a sua velocidade de rotação). Segundo essa pesquisa recente , a frequência desses encontros seria da ordem de 20 eventos por ano. No entanto, a maioria dessas interações seria difícil de observar (devido às enormes distâncias e uma orientação adequada da Terra).

Dois cenários possíveis são considerados: primeiro, quando o PBH é capturado pela estrela de nêutrons e, segundo, quando o minúsculo buraco negro vem de longas distâncias, contorna o NS e então se move para o “infinito” novamente (ou seja, um espalhamento evento). Dependendo da órbita específica (uma captura ou dispersão), um sinal característico e único é gerado.

Na animação a seguir, uma descrição detalhada do evento de dispersão é mostrada:

O sinal acima mencionado é chamado de explosão de raios gama (GRB), provavelmente, um dos eventos mais energéticos do Universo.

Um tipo particular de GRB

Essas emissões transitórias de alta energia duram de milissegundos a várias horas e suas fontes estão localizadas a bilhões de anos-luz da Terra. Uma grande quantidade de energia é liberada como feixes muito estreitos.

As GRBs mais curtas são causadas pela fusão de estrelas de nêutrons ou buracos negros, enquanto as rajadas mais longas têm origem na morte de estrelas massivas (as chamadas supernovas ).

No nosso caso particular, o GRB tem uma duração de cerca de 35 segundos, com uma condição muito específica: uma emissão suave e sustentada, seguida de um decréscimo abrupto e rápido em apenas alguns centésimos de segundo.

Detecção de PBH de tamanho atômico: uma tarefa impossível?

Esta não é uma pergunta fácil de responder, dada a complexidade da busca por esses minúsculos buracos negros. No entanto, se tal GRB particular for medido por telescópios modernos (e corresponder à assinatura específica relatada nesta pesquisa), pode-se argumentar que uma antiga interação PBH – estrela de nêutrons ocorreu no início do Universo.

Em outras palavras, forneceria evidências experimentais de tais buracos negros primordiais de baixa massa, uma das previsões fundamentais de Stephen Hawking. Não será uma tarefa fácil (talvez, tais GRBs nunca sejam encontrados), mas não podemos descartar completamente tal possibilidade: só o tempo dirá.

Por Oscar del Barco Novillo
Professor Ajudante Doutor. Departamento de Física Aplicada, Universidade de Zaragoza