Girar buracos negros pode lançar nuvens de partículas de matéria escura

Um buraco negro em rotação (branco) deve produzir enormes nuvens de partículas chamadas axions (azul), que produziriam ondas gravitacionais detectáveis, prevê um novo cálculo.

Masha Baryakhtar

Girar buracos negros pode lançar nuvens de partículas de matéria escura

Por Adrian ChoFeb. 22, 2017, 14:45

Poucas coisas são mais perturbadoras do que buracos negros, ondas gravitacionais e as partículas hipotéticas quase sem massa chamadas axions, que poderiam ser a misteriosa matéria escura cuja gravidade mantém as galáxias unidas. Agora, uma equipe de físicos teóricos uniu os três de uma maneira surpreendente. Se o axônio existe e tem a massa certa, eles argumentam, um buraco negro em rotação deve produzir uma vasta nuvem de partículas, que por sua vez produz ondas gravitacionais semelhantes às descobertas há um ano pelo Laser Interferômetro Gravitacional-Onda Observatório (LIGO). Se a ideia estiver correta, o LIGO poderá detectar axions, embora indiretamente.

É uma ideia incrível, diz Tracy Slatyer, astrofísica de partículas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), em Cambridge, que não participou do trabalho. Os dados do [LIGO] estarão lá, e seria incrível se víssemos alguma coisa. Benjamin Safdi, físico teórico de partículas do MIT, também está entusiasmado. `` Essa é realmente a melhor ideia que temos para procurar partículas nessa faixa de massa '', diz ele.

Um buraco negro é o intenso campo gravitacional deixado para trás quando uma estrela maciça se queima e cai até um ponto. Dentro de uma certa distância desse ponto, que define o horizonte de eventos do buraco negro, a gravidade cresce tão forte que nem mesmo a luz pode escapar. Em setembro de 2015, o LIGO detectou uma explosão de ondas no espaço chamadas ondas gravitacionais que emanaram da fusão de dois buracos negros.

O axônio, se existir, é uma partícula não carregada, talvez um bilionésimo da massa do elétron ou do isqueiro. Sonhado na década de 1970, ajuda a explicar uma curiosa simetria matemática na teoria das partículas chamadas quarks e glúons que compõem prótons e nêutrons. Eixos flutuando também podem ser a matéria escura que se pensa constituir 85% de toda a matéria do universo. Físicos de partículas estão procurando axions em experimentos que tentam convertê-los em fótons usando campos magnéticos.

Mas pode ser possível detectar axions estudando buracos negros com o LIGO e seus detectores gêmeos nos estados da Louisiana e Washington, argumentam Asimina Arvanitaki e Masha Baryakhtar, teóricas do Instituto Perimeter de Física Teórica em Waterloo, Canadá, e seus colegas.

Se a sua massa estiver na faixa correta, um axio preso em órbita ao redor de um buraco negro deve estar sujeito a um processo chamado superradiância que ocorre em muitas situações e faz com que os fótons se multipliquem em um determinado tipo de laser. Se um axônio se aproxima, mas não cruza, um horizonte de eventos de um buraco negro, então a rotação do buraco negro dará ao axio um aumento de energia. E como o axion é uma partícula quântica com algumas propriedades como as do fóton, esse impulso criará mais axions, que, por sua vez, interagirão com o buraco negro da mesma maneira. O processo descontrolado deve assim gerar um grande número de partículas.

Mas, para que isso ocorra, uma condição essencial deve ser atendida. Uma partícula quântica como o axião também pode atuar como uma onda, com partículas mais leves tendo comprimentos de onda mais longos. Para que a superradiância entre em ação, o comprimento de onda do axônio deve ser tão longo quanto o buraco negro for largo. Portanto, a massa do axônio deve ser extremamente leve: entre 1 / 10.000.000 e 1 / 10.000 da faixa sondada nas atuais experiências de laboratório. Os axônios não iriam surgir à toa, também, mas se aglomerariam em enormes ondas quânticas, como os orbitais dos elétrons em um átomo. Por mais fantástico que pareça, a física básica da superradiância está bem estabelecida, diz Safdi.

A nuvem axion pode se revelar de várias maneiras, diz Baryakhtar. O mais promissor é que os axônios que colidem na nuvem devem aniquilar-se mutuamente para produzir gravitons, partículas que se pensa formarem ondas gravitacionais, assim como os fótons compõem a luz. Emergindo de nuvens quânticas ordenadas, os gravitons formariam ondas contínuas com uma frequência definida pela massa do axônio. O LIGO seria capaz de detectar milhares dessas fontes por ano, estimam Baryakhtar e colegas em um artigo publicado em 8 de fevereiro na Physical Review D - embora rastrear esses sinais contínuos possa ser mais difícil do que detectar rajadas de colisões de buracos negros. Detectar várias fontes da mesma frequência seria uma "arma de fumar" para axions, diz Slatyer.

As nuvens axiais também poderiam produzir sinais indiretos. Em princípio, um buraco negro pode girar próximo à velocidade da luz. Entretanto, a geração de axônios minaria o momento angular de um buraco negro e o retardaria. Como resultado, o LIGO deve observar que os giros dos buracos negros em colisão nunca atingem a velocidade máxima, mas superam bem abaixo dela, diz Baryakhtar. Detectar esse limite na rotação seria desafiador, pois o LIGO pode medir a rotação de um buraco negro em colisão com apenas 25% de precisão.

Safdi alerta que a análise assume que o LIGO sofrerá muitas fusões de buracos negros e terá o desempenho esperado. E se o LIGO não vir os sinais, não descartará o axio, diz ele. Ainda assim, ele diz: "Este é provavelmente o artigo mais promissor que eu já vi até agora sobre a nova física que poderíamos sondar com ondas gravitacionais".