⚫ Como os buracos negros poderiam revelar a invisível matéria escura
A chave dessa abordagem reside no estudo das ondas gravitacionais (explicações no final do artigo), essas ínfimas ondulações da estrutura do espaço que se propagam à velocidade da luz. Quando um pequeno buraco negro orbita em torno de um monstro muito mais massivo situado no coração de uma galáxia, ele emite um sinal contínuo dessas ondas durante milhares de anos antes de finalmente se fundir. Essa lenta evolução constitui uma assinatura única que os futuros instrumentos poderiam capturar com uma precisão inédita.
Esquematização de ondas gravitacionais geradas por dois buracos negros em órbita próxima um em torno do outro, pouco antes de sua colisão (mais precisamente, coalescência).
A equipe do Instituto de Física da Universidade de Amsterdã desenvolveu um modelo matemático completo baseado na teoria da relatividade geral de Einstein. Esse modelo permite descrever com grande exatidão como um pequeno objeto compacto interage com seu ambiente imediato ao cair em direção a um buraco negro supermassivo. Trata-se de um avanço notável, pois os trabalhos anteriores frequentemente usavam aproximações para simular essas interações.
Esse quadro teórico é particularmente útil para estudar as regiões densas de matéria escura (veja abaixo) que poderiam se formar em torno dos buracos negros centrais, frequentemente chamadas de "picos". Ao integrar essa nova descrição relativística em modelos de previsão de ondas, os físicos mostram como essas estruturas deixariam uma impressão mensurável nos sinais. O observatório espacial LISA da Agência Espacial Europeia, cujo lançamento está previsto para 2035, é concebido para registrar esses sinais durante meses ou anos, acompanhando assim centenas de milhares de ciclos orbitais.
A capacidade de modelar precisamente essas ondas gravitacionais abre o caminho para um mapeamento indireto da matéria escura. Ao analisar as ínfimas modificações do sinal causadas pela presença dessa matéria invisível, os cientistas poderiam determinar como ela está distribuída em torno dos buracos negros. Esse método oferece assim uma nova janela de observação para compreender a natureza fundamental desse componente enigmático do Universo, sem a necessidade de vê-lo diretamente.
Quando dois buracos negros orbitam um em torno do outro e se fundem, eles emitem ondas gravitacionais detectáveis na Terra. Ao estudar a forma precisa dessas ondas, os cientistas poderiam sondar o ambiente dos buracos negros e compreender melhor a matéria escura.
Crédito: ESA
Os resultados dessa pesquisa, publicados na Physical Review Letters, representam um passo importante rumo à utilização das ondas gravitacionais como sonda cósmica. Eles preparam o terreno para a era dos grandes observatórios espaciais, onde a escuta dos murmúrios do espaço-tempo poderia nos ensinar muito sobre a composição invisível do nosso cosmos.
As ondas gravitacionais, mensageiras do espaço-tempo
As ondas gravitacionais são deformações da própria estrutura do espaço e do tempo que se propagam no Universo à velocidade da luz. Elas são produzidas por eventos cataclísmicos envolvendo enormes massas em movimento acelerado, como a fusão de dois buracos negros ou a explosão de estrelas. Essas ondulações, previstas por Albert Einstein em 1916, foram detectadas pela primeira vez diretamente em 2015 pelos observatórios LIGO e Virgo, confirmando assim um aspecto fundamental da física moderna.
Essas ondas são extremamente fracas, porque o espaço-tempo é uma trama muito rígida. Para medi-las, os cientistas usam interferômetros laser de vários quilômetros de comprimento capazes de detectar variações de distância inferiores a um bilionésimo do tamanho de um átomo. Cada onda gravitacional carrega uma assinatura única que informa sobre a natureza dos objetos que a emitiram, como sua massa, sua distância e a maneira como giravam um em torno do outro antes de se fundir.
O estudo desses sinais constitui uma nova astronomia, completamente diferente da observação da luz. Ela permite explorar fenômenos que permanecem invisíveis com os telescópios clássicos, como os buracos negros isolados ou certos eventos ocorrendo em regiões obscurecidas pela poeira. Ao ouvir essas vibrações cósmicas, os pesquisadores abrem uma janela inédita sobre os aspectos mais energéticos e intrigantes do nosso Universo.
A matéria escura, o invisível que estrutura o cosmos
A matéria escura é uma forma de matéria que não emite nem absorve luz, o que a torna completamente invisível aos telescópios tradicionais. Sua existência é deduzida indiretamente de seus efeitos gravitacionais sobre a matéria visível, como a rotação das galáxias ou a deformação da luz dos objetos distantes. As observações atuais indicam que ela constitui cerca de 85% de toda a matéria presente no Universo, formando uma vasta teia cósmica sobre a qual se constroem as galáxias.
Apesar de sua abundância, a natureza fundamental da matéria escura permanece uma das grandes questões em aberto na astrofísica e na física de partículas. As principais teorias propõem que ela poderia ser composta de partículas exóticas que interagem muito fracamente com a matéria ordinária. Sua presença é essencial para explicar como as estruturas em larga escala se formaram após o Big Bang.
As pesquisas frequentemente se concentram nas regiões onde a matéria escura poderia estar mais concentrada, como em torno dos buracos negros supermassivos no centro das galáxias. Esses acúmulos, às vezes chamados de "picos", poderiam influenciar o movimento das estrelas e de outros objetos próximos. Ao usar fenômenos gravitacionais como as ondas gravitacionais para sondar esses ambientes, os cientistas esperam finalmente desvendar o enigma desse componente oculto que dá forma ao nosso Universo.