p Uma equipa internacional de cientistas liderada pelo Instituto Galego de Física de Altas Energias (IGFAE) e pela Universidade de Aveiro mostra que a colisão de buraco negro mais pesada alguma vez observada, produzido pela onda gravitacional GW190521, pode realmente ser algo ainda mais misterioso:a fusão de duas estrelas bóson. Esta seria a primeira evidência da existência desses objetos hipotéticos, que são candidatos à matéria escura, acredita-se que compreende 27% da massa do universo. p As ondas gravitacionais são ondulações na estrutura do espaço-tempo que viajam à velocidade da luz. Estes se originam nos eventos mais violentos do universo, carregando informações sobre suas fontes. Desde 2015, os dois detectores LIGO nos EUA e o detector Virgo em Cascina, Itália, detectaram e interpretaram ondas gravitacionais. A data, esses detectores já observaram cerca de 50 sinais de ondas gravitacionais. Todos estes se originaram nas colisões e fusões de buracos negros e estrelas de nêutrons, permitindo aos físicos aprofundar o conhecimento sobre esses objetos.

p Contudo, a promessa das ondas gravitacionais vai muito além disso, já que estes devem eventualmente nos fornecer evidências para objetos previamente não observados e até mesmo inesperados, e lançar luz sobre os mistérios atuais, como a natureza da matéria escura. Este último pode, Contudo, já aconteceu.

p Em setembro de 2020, a colaboração LIGO e Virgo (LVC) anunciou ao mundo o sinal de onda gravitacional GW190521. De acordo com a análise deles, o sinal era consistente com a colisão de dois buracos negros pesados, de 85 e 66 vezes a massa do sol, que produziu um buraco negro final com 142 massas solares. O buraco negro resultante foi o primeiro de um novo, família de buracos negros não observados anteriormente:buracos negros de massa intermediária. Esta descoberta é de suma importância, como tais buracos negros eram o elo perdido entre duas famílias de buracos negros bem conhecidas:buracos negros de massa estelar que se formam a partir do colapso das estrelas, e buracos negros supermassivos que residem no centro de quase todas as galáxias, incluindo a Via Láctea.

p Além disso, esta observação veio com um enorme desafio. Se o que pensamos que sabemos sobre como as estrelas vivem e morrem está correto, o mais pesado dos buracos negros em colisão (85 massas solares) não poderia se formar a partir do colapso de uma estrela no final de sua vida, o que abre um leque de dúvidas e possibilidades sobre suas origens.

p Em um artigo publicado hoje em Cartas de revisão física , uma equipa de cientistas liderada pelo Dr. Juan Calderón Bustillo no Instituto Galego de Física de Altas Energias (IGFAE), centro comum da Universidade de Santiago de Compostela e Xunta de Galicia, e Dr. Nicolás Sanchis-Gual, um investigador de pós-doutoramento na Universidade de Aveiro e no Instituto Superior Técnico (Univ. Lisboa), junto com colaboradores da Universidade de Valência, Monash University e The Chinese University of Hong Kong, propôs uma explicação alternativa para a origem do sinal GW190521:a colisão de dois objetos exóticos conhecidos como estrelas bóson, que são um dos candidatos mais prováveis ​​para explicar a matéria escura. Em sua análise, a equipe foi capaz de estimar a massa de uma nova partícula constituinte dessas estrelas, um bóson ultraleve com uma massa bilhões de vezes menor que os elétrons.

p A equipe comparou o sinal GW190521 com simulações de computador de fusões bóson-estrelas, e descobri que estes na verdade explicam os dados um pouco melhor do que a análise conduzida por LIGO e Virgo. O resultado implica que a fonte teria propriedades diferentes das declaradas anteriormente. Dr. Calderón Bustillo diz, "Primeiro, não estaríamos mais falando sobre a colisão de buracos negros, o que elimina a questão de lidar com um buraco negro "proibido". Segundo, porque as fusões de estrelas bóson são muito mais fracas, inferimos uma distância muito mais próxima do que a estimada por LIGO e Virgo. Isso leva a uma massa muito maior para o buraco negro final, de cerca de 250 massas solares, portanto, o fato de termos testemunhado a formação de um buraco negro de massa intermediária permanece verdadeiro. "

p Dr. Nicolás Sanchis-Gual diz, "As estrelas do bóson são objetos quase tão compactos quanto os buracos negros, mas, ao contrário deles, não tem uma superfície 'sem retorno'. Quando eles colidem, eles formam uma estrela bóson que pode se tornar instável, eventualmente colapsando em um buraco negro, e produzindo um sinal consistente com o que LIGO e Virgo observaram. Ao contrário das estrelas regulares, que são feitos do que comumente conhecemos como matéria, estrelas bóson são constituídas do que conhecemos como bósons ultraleves. Esses bósons são um dos candidatos mais atraentes para constituir o que conhecemos como matéria escura. "

p A equipe descobriu que, embora a análise tenda a favorecer a hipótese dos buracos negros de fusão, uma fusão de estrela bóson é realmente preferida pelos dados, embora de forma inconclusiva. O Prof. Jose A. Font da Universidade de Valência diz:"Nossos resultados mostram que os dois cenários são quase indistinguíveis, dados os dados, embora a hipótese da estrela exótica do bóson seja ligeiramente preferida. Isso é muito emocionante, uma vez que nosso modelo de estrela bóson é, a partir de agora, muito limitado, e sujeito a grandes melhorias. Um modelo mais evoluído pode levar a evidências ainda maiores para este cenário e também nos permitiria estudar as observações de ondas gravitacionais anteriores sob o pressuposto da fusão bóson-estrela. "

p Este resultado não envolveria apenas a primeira observação de estrelas bóson, mas também o de seu bloco de construção, uma nova partícula conhecida como bóson ultraleve. O Prof. Carlos Herdeiro da Universidade de Aveiro diz, "Um dos resultados mais fascinantes é que podemos realmente medir a massa dessa suposta nova partícula de matéria escura, e que um valor zero é descartado com alta confiança. Se confirmado por análise subsequente desta e de outras observações de ondas gravitacionais, nosso resultado forneceria a primeira evidência observacional para um candidato a matéria escura há muito procurado. "