Poderia a matéria escura ser composta por buracos negros de um universo anterior?

 

Uma nova pesquisa sugere que buracos negros remanescentes de antes do Big Bang ainda podem moldar galáxias hoje. Esses buracos negros poderiam explicar a matéria escura, uma das maiores questões não resolvidas da cosmologia.

De modo geral, buracos negros são regiões do espaço-tempo onde a matéria é comprimida em um espaço minúsculo. A matéria escura, por sua vez, é a matéria que não reflete nem absorve luz. Sabemos que ela existe devido à sua influência gravitacional sobre galáxias e outras estruturas cósmicas.

Ela pode ser vista como a "cola" que mantém as galáxias unidas, mas não sabemos do que é feita em um nível fundamental. A maioria dos físicos acredita que a matéria escura é composta de uma partícula subatômica ainda não descoberta.

Mas buracos negros antigos, anteriores ao Big Bang, também se encaixam na descrição. Eles são escuros, mas também possuem massa – exatamente as propriedades necessárias.

É claro que a ideia de buracos negros remanescentes também exige uma revisão do próprio Big Bang.

Por quase um século, os cosmólogos rastrearam a história do universo até esse único e dramático momento. Mas talvez esse não tenha sido o início absoluto do tempo. Talvez tenha existido um universo antes do Big Bang.

Nesse cenário, o universo entrou em colapso antes de passar por uma expansão. O Big Bang representa a transição entre as duas fases.

Uma visão convencional de como o universo surgiu. Aqui, o Big Bang é imediatamente seguido por um período de rápida expansão conhecido como inflação. Colaboração Bicep2

O modelo do Big Bang tem sido notavelmente bem-sucedido. Ele explica a radiação cósmica de fundo em micro-ondas – o brilho residual do universo primordial – e prevê a distribuição em larga escala das galáxias com uma precisão surpreendente.

Mas na teoria da relatividade geral de Einstein, também é uma singularidade – um ponto onde a densidade se torna infinita e as leis conhecidas da física deixam de funcionar.

Muitos físicos interpretam isso não como uma realidade física, mas como um sinal de que algo está faltando. As singularidades são menos como objetos físicos e mais como alertas matemáticos: elas nos dizem que nossas teorias atuais não conseguem descrever os primeiros momentos do universo.

Um pulo, não uma pancada.

Uma alternativa é uma cosmologia de rebote . Nessa visão, o universo passa por uma fase de contração antes do Big Bang, atingindo uma densidade extremamente alta – porém finita. Em vez de colapsar em uma singularidade, ele se rebate, iniciando uma nova fase de expansão.

Modelos de ricochete têm sido explorados há décadas, frequentemente exigindo modificações na gravidade ou novos ingredientes exóticos. Mas nosso trabalho mostra que um ricochete pode surgir como uma solução regular dentro da física padrão, quando a gravidade e os efeitos da mecânica quântica – as leis que governam a natureza nas menores escalas – são levados em consideração de forma consistente.

Na cosmologia padrão, o Big Bang é rapidamente seguido por um período em que o universo primordial passa por uma expansão rápida e exponencial. Essa fase, conhecida como inflação , apaga efetivamente todos os vestígios de estruturas anteriores.

Ilustração de um buraco negro gigante. Será que buracos negros relictuais poderiam explicar o mistério da matéria escura? NASA/Caltech-IPAC/Robert Hurt

A situação é diferente em um universo em expansão. Em nosso trabalho, descobrimos que objetos maiores que 90 metros podem ter sobrevivido à transição do colapso para a expansão. Isso deixa para trás "relíquias" que carregam informações de uma época cósmica anterior. Essas relíquias podem incluir buracos negros, ondas gravitacionais e flutuações de densidade.

A física quântica contém uma pista importante sobre como isso é possível. De acordo com o princípio de exclusão de Pauli – um dos pilares da teoria quântica – a matéria torna-se “degenerada” em densidades extremamente altas. A matéria gera uma pressão que resiste a uma compressão adicional, mesmo na ausência de calor.

Em nosso modelo, um efeito semelhante opera em escalas cosmológicas. Isso pode explicar por que o universo não colapsa completamente – e por que estruturas formadas antes ou durante o rebote podem sobreviver até os dias atuais.

Sobrevivendo ao apocalipse

Identificamos duas vias principais pelas quais buracos negros primordiais podem surgir.

A primeira é a sobrevivência direta. Objetos compactos e perturbações (flutuações na densidade ou gravidade) gerados durante a fase de colapso do universo podem persistir após o rebote.

A segunda via é ainda mais intrigante. Durante a contração, a matéria se aglomera naturalmente sob a ação da gravidade, formando estruturas semelhantes aos halos que abrigam as galáxias hoje. Após o rebote, essas estruturas conseguem colapsar eficientemente, transformando-se em buracos negros.

Galáxias e estrelas da fase de contração colapsam efetivamente em buracos negros, apagando a maior parte de sua estrutura detalhada, mas preservando sua massa.

Seriam esses buracos negros matéria escura? Durante décadas, o principal candidato foi uma partícula fundamental — mas nenhuma foi detectada, apesar de extensas buscas.

Será que os "pequenos pontos vermelhos" observados pelo JWST representam buracos negros relictuais? Imagem: NASA, ESA, CSA, STScI, Dale Kocevski (Colby College)

Buracos negros primordiais oferecem uma alternativa convincente. Se o rebote produzir um número suficiente deles, eles poderão constituir uma fração significativa — talvez dominante — da matéria escura.

Essa ideia também pode estar relacionada a um dos enigmas observacionais mais intrigantes dos últimos anos.

O Telescópio Espacial James Webb (JWST) revelou uma população de objetos compactos e extremamente vermelhos no universo primordial, às vezes chamados de "pequenos pontos vermelhos" . Essas fontes astronômicas parecem ser inesperadamente massivas e luminosas apenas algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang.

Muitos astrônomos suspeitam que estejam associados a buracos negros em rápido crescimento – talvez as sementes dos buracos negros supermassivos encontrados nos centros das galáxias hoje. Mas sua existência é difícil de explicar dentro da cosmologia padrão. Como objetos tão massivos poderiam se formar tão rapidamente?

Buracos negros primordiais oferecem uma explicação natural. Se sementes massivas já existissem imediatamente após o rebote, o universo primordial não precisaria começar do zero. Buracos negros supermassivos poderiam crescer a partir de sobreviventes antigos, em vez de objetos recém-formados.

Nesse sentido, o JWST pode já estar vislumbrando os descendentes de relíquias pré-rebote.

Uma nova estrutura cosmológica

Em conjunto, o cenário de rebote oferece uma maneira unificada de abordar diversos problemas antigos em cosmologia.

A singularidade do Big Bang é substituída por uma transição quântica. Essa transição pode estar relacionada ao conceito da "ponte de Einstein-Rosen": uma ligação matemática entre duas regiões distintas do espaço-tempo.

A inflação surge naturalmente da dinâmica próxima ao ponto de recuperação.

A energia escura pode ser relacionada à estrutura global de um universo finito.

A matéria escura pode ser composta de buracos negros primordiais — talvez o nosso próprio universo tenha começado como um deles.

Ondas gravitacionais podem transportar sinais de uma fase cósmica anterior.

Buracos negros supermassivos podem ter origens antigas, o que é consistente com observações recentes do JWST.

Ainda há muito trabalho a ser feito. Essas ideias precisam ser testadas com base em dados – desde o fundo de ondas gravitacionais até levantamentos de galáxias e medições precisas da radiação cósmica de fundo em micro-ondas.

Mas a possibilidade é profunda: o universo pode não ter começado uma única vez, mas sim ter se regenerado. E as estruturas escuras que moldam as galáxias hoje podem ser relíquias de uma época anterior ao Big Bang.

Fonte: The Conversation