O Instituto Kavli de Física e Matemática do Universo (Kavli IPMU) é o lar de muitos projetos interdisciplinares que se beneficiam da sinergia de uma ampla gama de conhecimentos disponíveis no instituto. Um desses projetos é o estudo de buracos negros que poderiam ter se formado no início do universo, antes do nascimento de estrelas e galáxias.

Esses buracos negros primordiais (PBHs) podem ser responsáveis ​​por toda ou parte da matéria escura, ser responsável por alguns dos sinais de ondas gravitacionais observados, e sementes de buracos negros supermassivos encontrados no centro de nossa galáxia e outras galáxias. Eles também podem desempenhar um papel na síntese de elementos pesados ​​quando colidem com estrelas de nêutrons e as destroem, liberando material rico em nêutrons. Em particular, há uma possibilidade emocionante de que a misteriosa matéria escura, que é responsável pela maior parte da matéria do universo, é composto de buracos negros primordiais. O Prêmio Nobel de Física de 2020 foi concedido a um teórico, Roger Penrose, e dois astrônomos, Reinhard Genzel e Andrea Ghez, por suas descobertas que confirmaram a existência de buracos negros. Como os buracos negros existem na natureza, eles são um candidato muito atraente para a matéria escura.

O progresso recente na teoria fundamental, astrofísica, e observações astronômicas em busca de PBHs foram feitas por uma equipe internacional de físicos de partículas, cosmologistas e astrônomos, incluindo membros Kavli IPMU Alexander Kusenko, Misao Sasaki, Sunao Sugiyama, Masahiro Takada e Volodymyr Takhistov.

Para saber mais sobre os buracos negros primordiais, a equipe de pesquisa olhou para o universo primitivo em busca de pistas. O universo primitivo era tão denso que qualquer flutuação de densidade positiva de mais de 50 por cento criaria um buraco negro. Contudo, perturbações cosmológicas que semearam galáxias são conhecidas por serem muito menores. No entanto, vários processos no universo primitivo poderiam ter criado as condições certas para a formação dos buracos negros.

Uma possibilidade interessante é que os buracos negros primordiais possam se formar a partir dos "universos bebês" criados durante a inflação, um período de rápida expansão que se acredita ser responsável por semear as estruturas que observamos hoje, como galáxias e aglomerados de galáxias. Durante a inflação, universos bebês podem ramificar-se de nosso universo. O universo de um pequeno bebê (ou "filha") eventualmente entraria em colapso, mas a grande quantidade de energia liberada no pequeno volume causa a formação de um buraco negro.

Um destino ainda mais peculiar aguarda um universo maior de bebês. Se for maior do que algum tamanho crítico, A teoria da gravidade de Einstein permite que o universo bebê exista em um estado que parece diferente para um observador por dentro e por fora. Um observador interno o vê como um universo em expansão, enquanto um observador externo (como nós) o vê como um buraco negro. Em ambos os casos, o grande e o pequeno universo bebê são vistos por nós como buracos negros primordiais, que ocultam a estrutura subjacente de múltiplos universos por trás de seus "horizontes de eventos". O horizonte de eventos é um limite abaixo do qual tudo, mesmo leve, está preso e não pode escapar do buraco negro.

Em seu jornal, a equipe descreveu um novo cenário para a formação de PBH e mostrou que os buracos negros do cenário "multiverso" podem ser encontrados usando o Hyper Suprime-Cam (HSC) do telescópio Subaru de 8,2 m, uma câmera digital gigantesca - a gestão da qual Kavli IPMU desempenhou um papel crucial - perto do 4, Cume de 200 metros do Monte Mauna Kea no Havaí. Seu trabalho é uma extensão empolgante da busca HSC de PBH que Masahiro Takada, um investigador principal do Kavli IPMU, e sua equipe está perseguindo. A equipe do HSC relatou recentemente as principais restrições à existência de PBHs em Niikura, Takada et. al. ( Astronomia da Natureza 3, 524-534 (2019))

Por que o HSC foi indispensável nesta pesquisa? O HSC tem a capacidade única de criar imagens de toda a galáxia de Andrômeda a cada poucos minutos. Se um buraco negro passa pela linha de visão de uma das estrelas, a gravidade do buraco negro dobra os raios de luz e faz com que a estrela pareça mais brilhante do que antes por um curto período de tempo. A duração do brilho da estrela informa aos astrônomos a massa do buraco negro. Com observações HSC, pode-se observar simultaneamente cem milhões de estrelas, lançando uma ampla rede para os buracos negros primordiais que podem estar cruzando uma das linhas de visão.

As primeiras observações HSC já relataram um evento candidato muito intrigante consistente com um PBH do "multiverso, "com uma massa do buraco negro comparável à massa da Lua. Encorajado por este primeiro signo, e guiado pela nova compreensão teórica, a equipe está conduzindo uma nova rodada de observações para estender a pesquisa e fornecer um teste definitivo para saber se os PBHs do cenário multiverso podem ser responsáveis ​​por toda a matéria escura.