• Começa Com Um Estrondo

Os buracos negros podem ser a matéria escura que nosso universo precisa?

Buracos negros, quando você cai neles, inevitavelmente o levam à singularidade central. Por não emitirem luz, vale a pena considerá-los como um potencial candidato à matéria escura do nosso Universo. (ESA/HUBBLE, ESO, M. KORMESSER)

Quase certamente não. Aqui está a ciência do porquê.

O Universo, como o conhecemos, simplesmente não faz sentido. Por um lado, podemos olhar em uma escala cósmica e medir – com base em como o Universo gravita, agrupa e evolui – quanta massa total deve haver. Por outro lado, também podemos medir, de forma bastante independente, quanta matéria deve haver. Esses dois números são medidos com uma precisão muito alta com incertezas muito baixas, e há um grande problema: eles não correspondem.

O primeiro número, que nos diz quanta massa deve haver no Universo, é cerca de seis vezes maior que o segundo número, que nos diz quanta massa está na forma de partículas conhecidas do Modelo Padrão. Algo deve estar lá fora que vai além da física conhecida. Mesmo que não saibamos o que é, temos um nome para isso: matéria escura. Por muitos anos, alguns cientistas argumentaram que, talvez, os buracos negros sejam a resposta. Mas é quase certo que não. Aqui está a ciência por trás do porquê.

Nas escalas maiores, a forma como as galáxias se agrupam observacionalmente (azul e roxo) não pode ser correspondida por simulações (vermelho), a menos que a matéria escura seja incluída. (GERARD LEMSON & THE VIRGO CONSORTIUM, COM DADOS DO SDSS, 2DFGRS E A SIMULAÇÃO DO MILÊNIO)

Se você quiser saber quanta massa total existe no Universo, existem muitas maneiras diferentes de medi-la que são independentes umas das outras.

• Você pode observar os padrões de flutuações no Fundo Cósmico de Microondas, onde o número de picos, juntamente com as alturas e escalas dos picos relativos, nos ensina a razão entre matéria escura e matéria normal.
• Você pode observar o agrupamento em grande escala do Universo, onde as estruturas que vemos requerem tanto matéria normal quanto um componente que não colide consigo mesmo ou com matéria normal.
• Você pode olhar para as lentes gravitacionais, que são sensíveis à massa total tanto em uma estrutura massiva quanto ao longo da linha de visão, fornecendo uma medida da quantidade total de matéria presente.

Em todos os três casos, você obtém o mesmo resultado aproximado: o Universo é cerca de 30% de matéria total, mas apenas cerca de 5% de matéria normal.

Ao alavancar um total de oito sistemas de lentes quádruplas (seis são mostrados aqui), os astrofísicos foram capazes de usar lentes gravitacionais para colocar restrições na subestrutura da matéria escura no Universo e, portanto, na massa/temperatura das partículas de matéria escura como resultado. (NASA, ESA, A. NIERENBERG (JPL), E T. TREU E D. GILMAN (UCLA))

Além disso, podemos olhar para o Universo e contar todas as diferentes formas de matéria que podemos encontrar. Sabemos que as estrelas desempenham um papel, assim como o gás, a poeira e os planetas. Existe material nos aglomerados de galáxias que vive entre as várias galáxias, bem como no meio intergaláctico, que é cheio de plasma ionizado em vez de gás neutro. E há os cadáveres queimados de gerações anteriores de estrelas, todos somando ao total.

Quando somamos tudo o que sabemos, obtemos um número : cerca de ~5% da energia total no Universo é matéria normal. Temos até uma maneira completamente independente de medir isso, observando as proporções dos elementos de luz que estavam presentes antes da formação de qualquer estrela. Como a física nuclear é muito bem compreendida e o Big Bang também, tudo o que temos a fazer é juntar essas peças para ver o que sai. O resultado? Ainda 5%.

As abundâncias previstas de hélio-4, deutério, hélio-3 e lítio-7 conforme previsto pela Nucleossíntese do Big Bang, com observações mostradas nos círculos vermelhos. Isso corresponde a um Universo onde ~4-5% da densidade crítica está na forma de matéria normal. Com outros ~ 25-28% na forma de matéria escura, apenas cerca de 15% da matéria total no Universo pode ser normal, com 85% na forma de matéria escura. (EQUIPE DE CIÊNCIAS DA NASA / WMAP)

Esta é uma evidência forte o suficiente de que devemos levar o problema da matéria escura muito a sério. Algo está causando um excesso de gravitação em nosso Universo além do que podemos explicar apenas com a matéria normal em nosso Universo.

Não poderia ter vindo de neutrinos nem de quaisquer outras partículas de baixa massa e movimento rápido do Universo primitivo, ou as estruturas que encontramos estariam todas erradas. A matéria escura, além de ser cinco vezes mais abundante que a matéria normal, deve ter nascido fria.

E de onde quer que tenha vindo, deve ter estado presente desde muito cedo no Universo. Os elementos leves (da matéria normal) foram criados apenas alguns minutos após o Big Bang; o Fundo de Microondas Cósmica foi emitido apenas 380.000 anos após o Big Bang. A evidência para a matéria escura – e que é algo distinto da matéria normal – chega até nós desde muito cedo.

As flutuações no Fundo de Microondas Cósmicas são de magnitude tão pequena e de um padrão tão particular que indicam fortemente que o Universo começou com a mesma temperatura em todos os lugares e teve apenas 1 parte em 30.000 flutuações, um fato que é irreconciliável com uma Big Bang quente ou um cenário envolvendo grandes anisotropias ou heterogeneidades. (A COLABORAÇÃO ESA E PLANCK)

Então e a ideia de buracos negros? Afinal, buracos negros:

• são escuros,
• não emite luz,
• pode ter uma enorme quantidade de gravitação, e
• definitivamente existem, ao contrário (pelo menos da maioria) dos candidatos a partículas que inventamos para a matéria escura.

A ideia de que os buracos negros poderiam desempenhar um papel na solução do quebra-cabeça da matéria escura é antiga, remonta a muitas décadas. Infelizmente, as únicas maneiras que conhecemos de formar buracos negros – de estrelas, de grandes quantidades de gás em colapso, de fusões de estrelas de nêutrons, etc. – envolvem matéria normal como ponto de partida. E, em um segundo acontecimento infeliz, já sabemos quanto da massa do Universo está na forma desses buracos negros maciços e supermassivos, e não é o suficiente.

As fotos visíveis/próximas do IR do Hubble mostram uma estrela massiva, com cerca de 25 vezes a massa do Sol, que desapareceu, sem supernova ou outra explicação. O colapso direto é a única explicação razoável candidata e é uma maneira conhecida, além de supernovas ou fusões de estrelas de nêutrons, de formar um buraco negro pela primeira vez. (NASA/ESA/C. KOCHANEK (OSU))

Cerca de 0,007% da massa total do Universo existe na forma de buracos negros, e isso se você somar todos os buracos negros que achamos que deveriam existir. Inclui crescimento e fusões de buracos negros e inclui todos os buracos negros supermassivos nos centros das galáxias. Além disso, eles não podem ser muito massivos, porque buracos negros massivos que existem há muito tempo afundarão preferencialmente nos centros de estruturas massivas: um processo que os astrônomos tradicionalmente chamam segregação em massa mas seria descrito com mais precisão como assentamento diferencial.

Mesmo que os buracos negros fossem a matéria escura, eles teriam que ser mais leves do que um certo limite por esse motivo: a matéria escura deve ser distribuída em um halo grande e difuso ao redor de cada galáxia, aglomerado e superaglomerado. Ele não pode ser localizado centralmente no núcleo de cada uma dessas estruturas. Quando você junta tudo isso, pinta uma imagem muito improvável de que a matéria escura é feita de buracos negros.

Um mapa da exposição de 7 milhões de segundos do Chandra Deep Field-South. Esta região mostra centenas de buracos negros supermassivos, cada um em uma galáxia muito além da nossa. A combinação de populações de buracos negros de massa supermassiva e estelar contribuem para a quantidade total de matéria no Universo, mas não podem chegar perto de explicar a matéria escura. (NASA/CXC/B. LUO ET AL., 2017, APJS, 228, 2)

Mas há um cenário que ainda não foi descartado por tudo o que mencionamos até agora: buracos negros primordiais. É plausível pensar que o Universo pode ter nascido com um grande número de regiões muito pequenas do espaço com massa suficiente, em geral, para levar à formação de um buraco negro por colapso direto. Em vez de formar uma estrela, uma galáxia ou qualquer outra estrutura que sobreviva até hoje, eles poderiam ter sido densos o suficiente para formar uma população de buracos negros muito cedo: o que chamamos de buracos negros primordiais.

Teoricamente, podemos calcular o limite de quão acima da média em densidade uma região precisa estar para inevitavelmente entrar em colapso em buracos negros por meio desse mecanismo, e não é ridiculamente grande na superfície: 68% (ou mais) acima da densidade média. Se você tivesse algumas regiões minúsculas com 68% (ou mais) de superdensidades, elas poderiam produzir uma grande população de buracos negros de massa sub-solar, e isso poderia ser um candidato interessante à matéria escura.

Além da formação por supernovas e fusões de estrelas de nêutrons, deve ser possível que buracos negros se formem por meio de colapso direto. Simulações como a mostrada aqui demonstram que, sob as condições certas, buracos negros de qualquer massa podem se formar nos estágios iniciais do Universo, dependendo das condições iniciais. (AARON SMITH/TACC/UT-AUSTIN)

Se fosse assim que criamos buracos negros, tudo ainda faria sentido. A abundância dos elementos leves pode não ser afetada, porque toda a massa extra se tornaria buracos negros individuais, potencialmente muito cedo. Os padrões de agrupamento vistos na estrutura em grande escala do Universo e no Fundo de Microondas Cósmica também não seriam afetados, porque os buracos negros seriam criados em escalas muito pequenas para serem investigadas com esses métodos.

E os sinais tardios, como lentes gravitacionais ou rotação galáctica, seriam sensíveis apenas à fração geral de matéria escura que existe, não ao tamanho individual dos aglomerados. Temos restrições individuais de coisas como microlente gravitacional, tempo de pulsar e outras medidas astrofísicas que se aplicam a faixas de massa específicas, mas se tivéssemos buracos negros com a faixa de massa certa – ou uma série de faixas de massa – eles ainda poderiam explicar a matéria escura.

Restrições na matéria escura de Buracos Negros Primordiais. Há um conjunto esmagador de evidências díspares que indicam que não há uma grande população de buracos negros criados no início do Universo que compõem nossa matéria escura. O buraco negro de menor massa que nosso Universo deveria ter deveria vir de estrelas: cerca de 2,5 massas solares e não menos. (FIG. 1 DE FABIO CAPELA, MAXIM PSHIRKOV E PETER TINYAKOV (2013), VIA HTTP://ARXIV.ORG/PDF/1301.4984V3.PDF )

Mas é quase certo que não seja. O problema é este: podemos medir, em uma faixa de grande escala (desde o céu inteiro até ~0,07 graus ou mais), quão significativas são as flutuações de densidade. E em todo esse intervalo, descobrimos que:

• as flutuações nas maiores escalas são as maiores,
• eles ficam gradualmente, um pouco menores à medida que você passa para escalas menores,
• e as flutuações de maior magnitude, que ocorrem nas maiores escalas, são de apenas 1 parte em 30.000 ou mais.

Em outras palavras, precisamos de uma flutuação de ~68%, mas só temos flutuações de ~0,003%. Precisamos que eles sejam enormes em pequenas escalas, mas eles só ficam menores à medida que avançamos para escalas menores. De acordo com as previsões de inflação, não deve haver pico em pequenas escalas, mas é exatamente disso que precisamos. Embora possamos inventar qualquer cenário teórico que quisermos, simplesmente não há motivação para fazê-lo, a não ser que algumas pessoas gostariam da resposta se o fizéssemos.

As oscilações do CMB são baseadas em oscilações primordiais produzidas pela inflação. Em particular, a “parte plana” em grandes escalas (à esquerda) não tem explicação sem inflação. A linha plana representa as sementes das quais o padrão de pico e vale emergirá ao longo dos primeiros 380.000 anos do Universo, e é apenas alguns por cento mais baixo no lado direito (pequena escala) do que no lado esquerdo (grande escala). lado. (EQUIPE DE CIÊNCIAS DA NASA / WMAP)

Na ciência, simplesmente inventar um cenário para lhe dar a resposta que você deseja não é a maneira como abordamos os problemas. Em vez disso, devemos deixar a evidência que temos ser nosso guia e consignar o resto a uma enorme caixa de ideias especulativas (mas não convincentes). Embora houvesse muitas razões para estar empolgado com os buracos negros primordiais nas décadas de 1970 e 1980, as evidências que temos hoje os desfavorecem fortemente. Seria necessário um novo e revolucionário dado para trazê-los de volta a favor.

A ideia de que a matéria escura do nosso Universo pode ser buracos negros é interessante e merece escrutínio, e é revivida periodicamente à medida que novas gerações de cientistas se interessam pela ideia antiga. Mas os dados simplesmente não suportam isso. Buracos negros como matéria escura são altamente restritos e desfavorecidos por inúmeras razões, tanto teóricas quanto observacionais. Até que surjam novas evidências que os apoiem, não acredite no hype que os cerca, não importa o quão elegante se torne.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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