Um novo estudo publicado em Cartas de revisão física descreve como os cientistas podem usar experimentos de ondas gravitacionais para testar a existência de buracos negros primordiais, poços de gravidade formados momentos após o Big Bang, que alguns cientistas postularam, podem ser uma explicação para a matéria escura.

"Sabemos muito bem que buracos negros podem ser formados pelo colapso de grandes estrelas, ou como vimos recentemente, a fusão de duas estrelas de nêutrons, "disse Savvas Koushiappas, professor associado de física da Brown University e co-autor do estudo com Avi Loeb, da Harvard University. "Mas foi levantada a hipótese de que poderia haver buracos negros que se formaram no início do universo antes que as estrelas existissem. É isso que estamos abordando com este trabalho."

A ideia é que, logo após o Big Bang, as flutuações da mecânica quântica levaram à distribuição da densidade da matéria que observamos hoje no universo em expansão. Foi sugerido que algumas dessas flutuações de densidade podem ter sido grandes o suficiente para resultar em buracos negros espalhados por todo o universo. Esses chamados buracos negros primordiais foram propostos pela primeira vez no início dos anos 1970 por Stephen Hawking e colaboradores, mas nunca foram detectados - ainda não está claro se eles existem.

A capacidade de detectar ondas gravitacionais, como demonstrado recentemente pelo Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), tem o potencial de lançar uma nova luz sobre a questão. Esses experimentos detectam ondulações na estrutura do espaço-tempo associadas a eventos astronômicos gigantes, como a colisão de dois buracos negros. O LIGO já detectou várias fusões de buraco negro, e os experimentos futuros serão capazes de detectar eventos que aconteceram muito mais atrás no tempo.

"A ideia é muito simples, "Koushiappas disse." Com futuros experimentos com ondas gravitacionais, poderemos olhar para um tempo anterior à formação das primeiras estrelas. Portanto, se virmos eventos de fusão de buracos negros antes de as estrelas existirem, então saberemos que esses buracos negros não são de origem estelar. "

Os cosmologistas medem a que distância no tempo um evento ocorreu usando o redshift - o alongamento do comprimento de onda da luz associado à expansão do universo. Eventos mais antigos estão associados a redshifts maiores. Para este estudo, Koushiappas e Loeb calcularam o desvio para o vermelho em que as fusões de buracos negros não deveriam mais ser detectadas assumindo apenas a origem estelar.

Eles mostram que em um desvio para o vermelho de 40, o que equivale a cerca de 65 milhões de anos após o Big Bang, eventos de fusão devem ser detectados a uma taxa de não mais do que um por ano, assumindo origem estelar. Em redshifts maiores que 40, os eventos devem desaparecer completamente.

"Esse é realmente o ponto morto, "Koushiappas disse." Na realidade, esperamos que os eventos de fusão parem bem antes desse ponto, mas um redshift de 40 ou mais é o limite ou ponto de corte mais difícil absoluto. "

Um desvio para o vermelho de 40 deve estar ao alcance de vários experimentos de ondas gravitacionais propostas. E se eles detectarem eventos de fusão além disso, significa uma de duas coisas, Koushiappas e Loeb dizem:Ou existem buracos negros primordiais, ou o universo primitivo evoluiu de uma maneira muito diferente do modelo cosmológico padrão. Ambas seriam descobertas muito importantes, dizem os pesquisadores.

Por exemplo, buracos negros primordiais se enquadram em uma categoria de entidades conhecidas como MACHOs, ou Objetos Halo compactos maciços. Alguns cientistas propuseram que a matéria escura - o material invisível que se pensa compreender a maior parte da massa do universo - pode ser feita de MACHOs na forma de buracos negros primordiais. A detecção de buracos negros primordiais reforçaria essa ideia, enquanto uma não detecção lançaria dúvidas sobre ele.

A única outra explicação possível para fusões de buracos negros em redshifts maiores que 40 é que o universo é "não gaussiano". No modelo cosmológico padrão, as flutuações da matéria no universo primitivo são descritas por uma distribuição de probabilidade gaussiana. Uma detecção de fusão pode significar que as flutuações da matéria se desviam de uma distribuição gaussiana.

"A evidência de não gaussianidade exigiria uma nova física para explicar a origem dessas flutuações, o que seria um grande negócio, "Loeb disse.

A taxa na qual as detecções são feitas após um desvio para o vermelho de 40 - se de fato tais detecções são feitas - deve indicar se eles são um sinal de buracos negros primordiais ou evidência de não gaussianidade. Mas uma não detecção representaria um grande desafio para essas ideias.