Nova restrição PBH com base em dados COMPTEL (azul escuro), projeções do alcance de descoberta de futuros telescópios de raios gama MeV (outras curvas coloridas) e restrições existentes (regiões sombreadas em cinza). Crédito:Coogan et al.
Enquanto muitos físicos previram a existência de matéria escura, um tipo de matéria que não absorve, refletem ou emitem luz, até agora ninguém foi capaz de observá-lo experimentalmente ou determinar sua natureza fundamental. Buracos negros primordiais leves (PBHs), buracos negros formados no início do universo, estão entre os candidatos de matéria escura mais promissores. Contudo, a existência desses buracos negros ainda não foi confirmada.
Pesquisadores da University of Amsterdam e University of California-Santa Cruz realizaram recentemente um estudo com o objetivo de melhorar as restrições existentes no espaço de parâmetros permitido de PBHs como matéria escura. Em seu jornal, publicado em Cartas de revisão física , eles também propõem um possível método que poderia ser usado para detectar diretamente a radiação Hawking em regiões densas de matéria escura e potencialmente permitir a descoberta de matéria escura PBH.
A radiação Hawking é a radiação térmica que Stephen Hawking previu ser emitida espontaneamente por buracos negros. Supõe-se que essa radiação surja da conversão das flutuações quânticas do vácuo em pares de partículas, um escapando do buraco negro e o outro preso dentro de seu horizonte de eventos (ou seja, a fronteira em torno dos buracos negros dos quais nenhuma luz ou radiação pode escapar).
"PBHs compreendendo mais do que alguns por cento da matéria escura precisariam ter massa entre cerca de 10 16 gramas e 10 35 gramas, "Adam Coogan, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Na maior parte desse intervalo, várias observações os excluem de constituir 100% da matéria escura. Contudo, há uma lacuna notável nas restrições:PBHs com massas em torno de um asteróide (~ 10 17 gramas a 10 22 gramas) ainda podem constituir toda a matéria escura. "
Identificar métodos para restringir o espaço de parâmetros permitido de PBHs ou detectar a radiação Hawking que emana deles pode ser um passo importante para a observação ou descoberta de matéria escura de PBHs. Coogan, em colaboração com seus colegas Logan Morrison e Stefano Profumo, portanto, começou a examinar o potencial dos telescópios de raios gama MeV como ferramentas para detectar a radiação PBH Hawking.
"A ideia principal por trás do nosso trabalho era pensar sobre uma maneira particular de procurar PBHs com massa de asteróide, "Coogan explicou." Espera-se que os PBHs leves emitam radiação Hawking que consiste em uma mistura de fótons e outras partículas de luz, como elétrons e píons. Os telescópios podem então procurar por essa radiação observando nossa galáxia ou outras galáxias. O objetivo do nosso artigo era entender o quão bem os próximos telescópios seriam capazes de observar essa radiação e, consequentemente, quanto do espaço de parâmetros PBH de massa de asteróide eles poderiam sondar. "
Ao tentar estimar as massas de PBHs que os telescópios emergentes poderiam ajudar a restringir, Coogan e seus colegas descobriram que estudos anteriores ainda não haviam analisado os dados coletados pelo telescópio COMPTEL, um telescópio de raios gama lançado pela NASA a bordo do Compton Gamma Ray Observatory (CGRO). Esses dados, Contudo, poderia ajudar a restringir a abundância de PBHs ligeiramente abaixo da lacuna de massa de asteróide (isto é, abaixo de 10 17 gramas). Embora já existam restrições nesta faixa de massa, graças às observações da radiação Hawking coletadas pela Voyager 1 e o satélite INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory (INTEGRAL), as novas restrições introduzidas pelos pesquisadores foram consideradas as mais fortes até o momento.
"A principal entrada para computar restrições e fazer projeções é calcular o espectro da radiação Hawking produzida por um único PBH, "Coogan disse." Refinamos esse cálculo em comparação com as ferramentas existentes na literatura, melhorando como a radiação produzida por elétrons e píons é contabilizada no espectro. O resto dos cálculos são bastante típicos para pesquisas de matéria escura. "
Supondo que PBHs de uma massa específica constituem uma determinada fração da matéria escura total no espaço, os cálculos realizados por Coogan e seus colegas permitiriam aos pesquisadores computar sua contribuição para o espectro de fótons emitidos por um objeto astrofísico que se acredita conter uma quantidade substancial de matéria escura, como o centro da Via Láctea. Se o espectro estimado por esses cálculos fosse muito mais brilhante do que o espectro observado, por exemplo, pode-se descartar a possibilidade de que os PBHs dessa massa específica constituam uma fração específica da matéria escura.
"Fazer projeções para o desempenho de futuros telescópios segue linhas semelhantes, embora não haja espectro observado para comparar, "Coogan explicou." Neste caso, o espectro de fótons emitidos por PBHs é comparado com um modelo para o fundo astrofísico esperado de fótons. "
O estudo recente de Coogan, Morrison e Profumo estabeleceram as restrições mais fortes em PBHs de baixa massa até o momento, usando dados coletados como parte de um experimento que foi concluído há 20 anos. Além disso, os pesquisadores mostraram que os próximos telescópios capazes de observar raios gama de energia MeV poderiam ajudar a sondar PBHs de massa de asteróide, que é uma parte muito difícil do espaço de parâmetros PBH para sondar.
"A comunidade astronômica tem considerado várias propostas para tais telescópios nos últimos anos e acho que nosso artigo fornece outra motivação sólida para construí-los, "Coogan acrescentou." Além dos PBHs, estivemos estudando como os próximos telescópios de raios gama MeV poderiam sondar diferentes modelos de partículas de matéria escura. Recentemente, concluímos outro artigo em que calculamos os espectros de raios gama para alguns desses modelos em particular e estamos trabalhando com outros colaboradores para refinar esses cálculos. "
Coogan, Morrison e Profumo também colaboraram recentemente com Alexander Moiseev, um cientista pesquisador da NASA, que está desenvolvendo um telescópio chamado Explorador Galáctico com um Telescópio Compton de Máscara de Abertura Codificada (GECCO). Junto com Moiseev, eles têm tentado mapear maneiras pelas quais a GECCO poderia ajudar na busca por matéria escura.
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