Qual é a origem dos buracos negros e como essa questão está ligada a outro mistério, a natureza da matéria escura? A matéria escura compreende a maioria da matéria no Universo, mas sua natureza permanece desconhecida.

Várias detecções de ondas gravitacionais de buracos negros em fusão foram identificadas nos últimos anos pelo Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), comemorado com o Prêmio Nobel de Física 2017 para Kip Thorne, Barry Barish, e Rainer Weiss. A confirmação definitiva da existência de buracos negros foi celebrada com o Prêmio Nobel de Física de 2020 concedido a Andrea Ghez, Reinhard Genzel e Roger Penrose. Compreender a origem dos buracos negros, portanto, surgiu como uma questão central na física.

Surpreendentemente, O LIGO observou recentemente um candidato a buraco negro de massa solar de 2,6 (evento GW190814, relatado em Cartas de jornal astrofísico 896 (2020) 2, L44). Supondo que seja um buraco negro, e não uma estrela de nêutrons incomumente massiva, de onde isso vem?

Os buracos negros de massa solar são particularmente intrigantes, uma vez que não são esperados da astrofísica de evolução estelar convencional. Esses buracos negros podem surgir no Universo primordial (buracos negros primordiais) ou ser "transmutados" a partir de estrelas de nêutrons existentes. Alguns buracos negros podem ter se formado no início do universo muito antes da formação das estrelas e galáxias. Esses buracos negros primordiais podem constituir parte ou toda a matéria escura. Se uma estrela de nêutrons capturar um buraco negro primordial, o buraco negro consome a estrela de nêutrons de dentro, transformando-o em um buraco negro de massa solar. Este processo pode produzir uma população de buracos negros de massa solar, independentemente de quão pequenos são os buracos negros primordiais. Outras formas de matéria escura podem se acumular dentro de uma estrela de nêutrons, causando seu colapso final em um buraco negro de massa solar.

Um novo estudo, publicado em Cartas de revisão física , avança um teste decisivo para investigar a origem dos buracos negros de massa solar. Este trabalho foi liderado pelo Instituto Kavli de Física e Matemática do Universo (Kavli IPMU), Volodymyr Takhistov, e a equipe internacional incluiu George M. Fuller, Distinto Professor de Física e Diretor do Centro de Astrofísica e Ciências Espaciais da Universidade da Califórnia, San Diego, assim como Alexander Kusenko, Professor de Física e Astronomia da Universidade da Califórnia, Los Angeles e um cientista sênior visitante Kavli IPMU.

Conforme o estudo discute (ver Fig. 1), Buracos negros de massa solar "transmutados" remanescentes de estrelas de nêutrons sendo devoradas por matéria escura (seja minúsculos buracos negros primordiais ou acúmulo de partículas de matéria escura) devem seguir a distribuição de massa das estrelas de nêutrons hospedeiras originais. Uma vez que a distribuição da massa da estrela de nêutrons deve atingir o pico em torno de 1,5 massas solares, é improvável que buracos negros de massa solar mais pesada tenham se originado de matéria escura interagindo com estrelas de nêutrons. Isso sugere que eventos como o candidato detectado pelo LIGO, se eles de fato constituem buracos negros, poderia ser de origem primordial do Universo primitivo e, assim, afetar drasticamente nossa compreensão da astronomia. Observações futuras usarão este teste para investigar e identificar a origem dos buracos negros.

Anteriormente (ver Fuller, Kusenko, Takhistov Cartas de revisão física 119 (2017) 6, 061101), a mesma equipe internacional de pesquisadores também demonstrou que a interrupção de estrelas de nêutrons por pequenos buracos negros primordiais pode levar a uma rica variedade de assinaturas de observação e pode nos ajudar a entender enigmas astronômicos de longa data como a origem de elementos pesados ​​(por exemplo, ouro e urânio) e o excesso de raios gama de 511 keV observado do centro de nossa galáxia.