Futuras observações de buracos negros pelo LISA poderiam revelar a existência de partículas desconhecidas, muito mais leves do que as detectadas nos aceleradores.
A ideia baseia-se em um efeito surpreendente ao redor de buracos negros em rotação. Algumas partículas hipotéticas, chamadas bósons ultraleves, poderiam se acumular ao redor deles. Essa concentração retiraria gradualmente parte de sua rotação. Ela também poderia produzir ondas gravitacionais, isto é, minúsculas deformações do espaço e do tempo.
Visão artística de dois buracos negros em processo de fusão, uma fonte de ondas gravitacionais que o LISA poderá estudar.
Crédito: ESA
Essas partículas nunca foram detectadas. Sua massa seria extremamente baixa, muito inferior à das partículas comuns. Procurá-las diretamente é, portanto, difícil. Os buracos negros podem oferecer outro método: sua massa e velocidade de rotação guardariam o vestígio da energia perdida caso essas partículas existam.
É aqui que entra o LISA, um futuro observatório espacial desenvolvido pela Agência Espacial Europeia em colaboração com a NASA. Três espaçonaves separadas por milhões de quilômetros medirão variações ínfimas de distância. O instrumento será especialmente sensível às ondas gravitacionais produzidas pela fusão de buracos negros muito mais massivos que o Sol.
Os pesquisadores estudaram dois métodos complementares. O primeiro consiste em medir a rotação dos buracos negros antes de sua fusão. Algumas combinações de massa e rotação se tornariam raras se bósons ultraleves retirassem energia deles com eficiência.
Esquema de um buraco negro em rotação cercado por uma nuvem de bósons ultraleves.
Crédito: Richard Brito, Vitor Cardoso e Paolo Pani / LIGO Scientific Collaboration
O segundo método ocorre após a fusão. O buraco negro recém-formado poderia se cercar de uma nuvem de bósons e depois emitir um sinal gravitacional quase contínuo. O LISA poderia procurar esse sinal depois de já ter localizado a fusão, o que reduziria a área do céu a ser examinada.
As simulações indicam que as medições de rotação poderiam testar várias faixas de massas de bósons. Para partículas do tipo escalar, a faixa estudada se estende de aproximadamente 5 × 10-18 a 10-14 elétron-volts. Para bósons vetoriais, ela vai de aproximadamente 6 × 10-19 a 2 × 10-14 elétron-volts.
Esses números continuam muito dependentes da população real de buracos negros massivos. Por isso, os pesquisadores compararam três cenários que descrevem sua formação. Conforme o cenário adotado, a probabilidade de detectar um sinal após uma fusão pode variar de muito baixa a quase certa para determinadas massas de bósons vetoriais.
O LISA ainda não está em operação, e o estudo apresenta previsões baseadas em simulações. Dados futuros permitirão confrontar esses cenários com fusões reais. Medir simultaneamente a massa, a rotação e os sinais persistentes após a colisão oferecerá então vários testes independentes para uma mesma partícula hipotética.