Acredita-se que a matéria escura constitui a maior parte da matéria do universo, mas os cientistas ainda não conseguem observá-la diretamente. Ao contrário da matéria comum, a matéria escura não interage com a luz ou com forças eletromagnéticas, tornando a gravidade a única forma conhecida de detectar a sua presença. Agora, os investigadores acreditam que a colisão de buracos negros pode fornecer uma nova forma de procurar pistas sobre este material invisível.
Físicos do MIT e de diversas instituições europeias desenvolveram um método para identificar possíveis sinais de matéria escura escondida em ondas gravitacionais. Essas ondulações no espaço e no tempo são criadas quando objetos massivos como buracos negros se juntam em espiral e se fundem. Se estes buracos negros passassem através de nuvens densas de matéria escura antes de colidirem, as ondas gravitacionais resultantes poderiam transportar vestígios subtis desta interação.
A equipa testou o seu método usando dados disponíveis publicamente recolhidos pelo LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), uma rede internacional de observatórios de ondas gravitacionais que monitoriza fusões de buracos negros e outros eventos cósmicos distantes.
Procurando pistas de matéria escura em ondas gravitacionais
Os pesquisadores analisaram sinais coletados durante as três primeiras rodadas de observações do LVK. Eles se concentraram nos 28 eventos de ondas gravitacionais mais claros detectados até o momento.
Vinte e sete dos eventos tiveram sinais consistentes com as expectativas dos cientistas para a fusão de buracos negros no vácuo. Mas um sinal chamado GW190728 parecia diferente. De acordo com a análise da equipe, este padrão de ondas gravitacionais pode conter evidências de interações com a matéria escura.
Os pesquisadores enfatizaram que isso não significa que a descoberta da matéria escura esteja confirmada. Em vez disso, a nova técnica fornece uma maneira de escanear dados de ondas gravitacionais em busca de sinais promissores que possam ser estudados mais detalhadamente posteriormente.
“Sabemos que a matéria escura está à nossa volta. Tem de ser suficientemente densa para podermos ver os seus efeitos,” disse Josu Aurrekoetxea, pós-doutorando no Departamento de Física do MIT. “Os buracos negros fornecem um mecanismo para aumentar esta densidade, e agora podemos procurá-lo analisando as ondas gravitacionais emitidas quando se fundem.”
As descobertas foram publicadas na Physical Review Letters. Aurrekoetxea foi coautor do estudo com os membros da LVK Soumen Roy, da Universidade Católica de Leuven (UCLouvain), na Bélgica, Rodrigo Vicente, da Universidade de Amsterdã, Katy Clough, da Queen Mary University of London, e Pedro Ferreira, da Universidade de Oxford.
Como os buracos negros amplificam a matéria escura
A matéria escura continua sendo um dos maiores mistérios da física. Os cientistas teorizam que existe porque a atração gravitacional em torno das galáxias parece ser mais forte do que a própria matéria visível pode explicar. Observações de lentes gravitacionais (a curvatura da luz em torno das galáxias) sugerem que outra fonte invisível de massa está afetando o espaço.
As estimativas atuais sugerem que a matéria escura pode representar mais de 85% da matéria do universo. No entanto, os pesquisadores ainda não sabem do que realmente é feita a matéria escura.
Uma forma proposta envolve partículas extremamente leves chamadas partículas “fotosescalares”. A teoria mostra que estas partículas se comportam como ondas coordenadas perto de um buraco negro.
Os cientistas acreditam que quando estas ondas encontram um buraco negro em rotação rápida, a energia rotacional do buraco negro pode ser transferida para as ondas de matéria escura, aumentando enormemente a sua densidade. Esse processo é chamado de superradiação e é como transformar creme em manteiga.
Se a densidade aumentar o suficiente, a matéria escura poderá alterar as ondas gravitacionais produzidas quando os buracos negros colidem.
Prevendo impressões de matéria escura no espaço e no tempo
Para investigar esta possibilidade, os investigadores realizaram simulações detalhadas de fusões de buracos negros sob muitas condições diferentes. Eles variaram fatores, incluindo a massa e o tamanho do buraco negro, a quantidade de matéria escura circundante e a densidade da matéria.
Usando estas simulações, a equipe previu como as ondas gravitacionais apareceriam se os buracos negros se fundissem num ambiente de matéria escura densa, em vez de no vácuo.
O modelo também explica como estas ondas mudam à medida que viajam milhões de anos-luz antes de chegarem a um detector na Terra.
Os pesquisadores então compararam suas previsões com observações reais de LVK. Dos 28 sinais mais fortes examinados, GW190728 foi o único evento consistente com o cenário da matéria escura.
GW190728 foi detectado pela primeira vez em 28 de julho de 2019. Os primeiros estudos determinaram que o sinal veio de dois buracos negros com uma massa combinada de cerca de 20 vezes a do Sol. De acordo com a nova análise, estes buracos negros podem ter-se fundido em nuvens densas de matéria escura.
Nova ferramenta promissora para pesquisa de matéria escura
“Este fenómeno não é estatisticamente significativo o suficiente para reivindicar a detecção de matéria escura, e um exame mais aprofundado deve ser realizado por um grupo independente”, disse Aurrekoetxea. “Achamos importante destacar que sem modelos de formas de onda como os nossos, podemos detectar fusões de buracos negros em ambientes de matéria escura, mas classificá-las sistematicamente como ocorrendo no vácuo”.
Os pesquisadores dizem que as crescentes observações de ondas gravitacionais podem tornar este método cada vez mais útil nos próximos anos.
“À medida que o detector LVK continua a recolher dados ao longo dos próximos anos, será agora possível descobrir matéria escura em torno dos buracos negros,” disse Soumen Roy, co-autor da parte de análise de dados do trabalho. “Este é um momento emocionante para usar ondas gravitacionais para encontrar uma nova física.”
“Seria ótimo usar buracos negros para procurar matéria escura”, acrescentou Rodrigo Vicente, coautor do modelo de análise de sinais. “Seremos capazes de detectar matéria escura em escalas muito menores do que antes.”
Esta pesquisa foi apoiada em parte pela National Science Foundation e pelo Centro de Física Teórica do MIT (Instituto Reinweber).
