NASA Goddard: "Todas as galáxias estão embutidas dentro de uma vasta esfera de buracos negros"

A matéria escura é uma substância misteriosa que compõe a maior parte do universo material, agora amplamente pensado para ser alguma forma de enorme partícula exótica. Uma visão intrigante alternativa é que a matéria escura é feita de buracos negros formados durante o primeiro segundo da existência do nosso universo, conhecido como buracos negros primordiais.

"Este estudo é um esforço para reunir um amplo conjunto de idéias e observações para testar o quão bem eles se encaixam, eo ajuste é surpreendentemente bom", disse Alexander Kashlinsky, astrofísico da NASA Goddard. "Se isto é correto, então todas as galáxias, incluindo a nossa, estão embutidas dentro de uma vasta esfera de buracos negros cada uma cerca de 30 vezes a massa do sol".

Kashlinsky sugere que esta interpretação alinha com o nosso conhecimento de infravermelho cósmico e raios X brilha fundo e pode explicar as massas inesperadamente alta de fusão buracos negros detectados no ano passado.

Em 2005, Kashlinsky liderou uma equipe de astrônomos usando o Telescópio Espacial Spitzer da NASA para explorar o brilho de fundo da luz infravermelha em uma parte do céu. Os pesquisadores relataram excessiva mancha no brilho e concluíram que provavelmente foi causada pela luz agregada das primeiras fontes para iluminar o universo há mais de 13 bilhões de anos. Os estudos de seguimento confirmaram que este fundo infravermelho cósmico (CIB) mostrou uma estrutura inesperada semelhante em outras partes do céu.

Esta imagem do telescópio espacial de Spitzer da NASA mostra uma vista infravermelha de uma área do céu no major de Ursa da constelação.

Depois de mascarar todas as estrelas conhecidas, galáxias e artefatos e melhorar o que resta, aparece um brilho de fundo irregular. Este é o fundo infravermelho cósmico (CIB); Cores mais claras indicam áreas mais brilhantes.

O brilho CIB é mais irregular do que pode ser explicado por galáxias distantes não resolvidas, e essa estrutura em excesso é pensado para ser luz emitida quando o universo tinha menos de um bilhão de anos de idade. Os cientistas dizem que provavelmente se originou dos primeiros objetos luminosos a formar no universo, que inclui as primeiras estrelas e buracos negros.

Em 2013, outro estudo comparou como o fundo de raios X cósmico (CXB) detectado pelo Observatório de raios-X Chandra da NASA comparou com o CIB na mesma área do céu. As primeiras estrelas emitiram principalmente luz óptica e ultravioleta, que hoje é esticada no infravermelho pela expansão do espaço, então eles não devem contribuir significativamente para o CXB.

No entanto, o brilho irregular de raios-X de baixa energia no CXB acompanhou bastante bem a mancha do CIB. O único objeto que sabemos que pode ser suficientemente luminoso em toda essa ampla gama de energia é um buraco negro. A equipe de pesquisa concluiu que os buracos negros primordiais devem ter sido abundantes entre as primeiras estrelas, constituindo pelo menos cerca de um em cada cinco das fontes que contribuem para o CIB.

A natureza da matéria escura permanece uma das questões mais importantes não resolvidas na astrofísica.

Os cientistas atualmente preferem modelos teóricos que explicam a matéria escura como uma partícula maciça exótica, mas até agora as buscas não conseguiram provar que essas partículas hipotéticas realmente existem. A NASA está atualmente investigando esta questão como parte do seu espectômetro magnético alfa e as missões do telescópio espacial de raios gama de Fermi.

"Esses estudos estão fornecendo resultados cada vez mais sensíveis, reduzindo lentamente a caixa de parâmetros onde partículas de matéria escura podem se esconder", disse Kashlinsky. "O fracasso em encontrá-los levou ao interesse renovado em estudar como os buracos negros primordiais - buracos negros formados na primeira fração de segundo do universo - poderiam funcionar como matéria escura".

Os físicos esboçaram várias maneiras pelas quais o universo quente e em rápida expansão poderia produzir buracos negros primordiais nas primeiras milésimas de segundo depois do Big Bang. Quanto mais antigo o universo é quando esses mecanismos se apoderam, maiores os buracos negros podem ser. E porque a janela para criá-los dura apenas uma pequena fração do primeiro segundo, os cientistas esperam buracos negros primordiais exibiria uma estreita faixa de massas.

Em 14 de setembro de 2015, as ondas gravitacionais produzidas por um par de buracos negros mesclados a 1,3 bilhões de anos-luz de distância foram captadas pelas instalações do Observatório de Ondas Gravitacionais do Laser Interferômetro (LIGO) em Hanford, Washington, e Livingston, Louisiana. Este evento marcou a primeira detecção de ondas gravitacionais, bem como a primeira detecção direta de buracos negros.

O sinal forneceu aos cientistas do LIGO informações sobre as massas dos buracos negros individuais, que eram 29 e 36 vezes a massa do Sol, mais ou menos cerca de quatro massas solares. Estes valores eram inesperadamente grandes e surpreendentemente semelhantes.

"Dependendo do mecanismo no trabalho, os buracos negros primordiais poderiam ter propriedades muito semelhantes ao que o LIGO detectou", explicou Kashlinsky. "Se assumirmos que esse é o caso, que LIGO pegou uma fusão de buracos negros formados no início do universo, podemos olhar para as consequências que isso tem sobre a nossa compreensão de como o cosmos evoluiu em última instância.

Os buracos negros primitivos, se existirem, poderiam ser semelhantes aos buracos negros encontrados pela equipe LIGO em 2015. Esta simulação computacional mostra em câmera lenta o que essa fusão teria parecido de perto.O anel em torno dos buracos negros, chamado de anel Einstein, surge de todas as estrelas em uma pequena região diretamente atrás dos buracos cuja luz é distorcida por lente gravitacional.

As ondas gravitacionais detectadas pelo LIGO não são mostradas neste vídeo, embora seus efeitos possam ser vistos no anel de Einstein. As ondas gravitacionais que viajam por trás dos buracos negros perturbam as imagens estelares que compõem o anel de Einstein, fazendo com que elas se deslizem pelo anel, mesmo depois da fusão estar completa. 
As ondas gravitacionais que viajam em outras direções causam sloshing mais fraco, mais curto-vivo em toda parte fora do anel de Einstein. Se reproduzido em tempo real, o filme duraria cerca de um terço de segundo. (SXS Lensing)

Em seu artigo, publicado em 24 de maio em The Astrophysical Journal Letters, Kashlinsky analisa o que poderia ter acontecido se a matéria escura consistia em uma população de buracos negros semelhantes aos detectados por LIGO. Os buracos negros distorcem a distribuição de massa no universo primitivo, acrescentando uma pequena flutuação que tem consequências centenas de milhões de anos depois, quando as primeiras estrelas começam a se formar.

Para grande parte dos primeiros 500 milhões de anos do universo, a matéria normal permaneceu quente demais para se fundir nas primeiras estrelas. A matéria escura não foi afetada pela alta temperatura porque, seja qual for sua natureza, interage principalmente através da gravidade. Agregando-se por atração mútua, a matéria escura entrou em colapso, denominada minihaloes, que proporcionou uma semente gravitacional que permitiu a acumulação de matéria normal. O gás quente desabou em direção aos mini-halos, resultando em bolsas de gás suficientemente densas para colapsar por conta própria nas primeiras estrelas.

Kashlinsky mostra que se os buracos negros desempenham a parte da matéria escura, este processo ocorre mais rapidamente e facilmente produz a irregularidade do CIB detectado em dados Spitzer, mesmo que apenas uma pequena fração de minihaloes conseguem produzir estrelas.

À medida que o gás cósmico caiu nos mini-halos, seus buracos negros constituintes naturalmente capturariam alguns deles também. Matéria caindo em direção a um buraco negro aquece e, finalmente, produz raios-X. Juntas, a luz infravermelha das primeiras estrelas e os raios-X do gás que caem em buracos negros da matéria escura podem explicar o acordo observado entre a mancha do CIB eo CXB.

Ocasionalmente, alguns buracos negros primordiais passam perto o suficiente para serem gravitacionalmente capturados em sistemas binários. Os buracos negros em cada um desses binários irão, ao longo dos eons, emitir radiação gravitacional, perder energia orbital e espiralar para dentro, acabando por se fundir em um buraco negro maior como o evento LIGO observado.

"Futuras missões de observação do LIGO nos dirão muito mais sobre a população de buracos negros do universo, e não demorará muito para sabermos se o cenário que descrevo é apoiado ou descartado", disse Kashlinsky.

Kashlinsky lidera a equipe científica centrada em Goddard que está participando da missão Euclid da Agência Espacial Européia, que está programada para ser lançada em 2020. O projeto, chamado LIBRAE, permitirá ao observatório apurar as populações fonte no CIB com alta precisão e determinar o que Parte foi produzida por buracos negros.

O Galaxy Diário via NASA / Goddard Space Flight Center

Créditos da imagem: NASA, ligo.caltech.edu; NASA / JPL-Caltech / A. Kashlinsky (Goddard); imagem na parte superior da página, com agradecimentos a imgur.com