Cientistas da Universidade de Amsterdã desenvolveram um novo método para usar ondas gravitacionais de buracos negros para revelar a presença de matéria escura e aprender mais sobre seu comportamento. A sua abordagem baseia-se em modelos teóricos detalhados baseados na teoria geral da relatividade de Einstein. O modelo descreve cuidadosamente como um buraco negro interage com a matéria no seu ambiente, incluindo a matéria escura que não pode ser vista diretamente.
A pesquisa foi conduzida por Rodrigo Vicente, Theophanes K. Karydas e Gianfranco Bertone do Instituto de Física (IoP) e do Centro de Excelência GRAPPA em Gravitação e Física de Astropartículas da Universidade de Amsterdã. Suas descobertas foram publicadas na revista Cartas de revisão física. Neste estudo, a equipe propôs um método mais avançado para calcular como a matéria escura em torno dos buracos negros altera sutilmente as ondas gravitacionais produzidas por esses sistemas.
Razões de massa extremas para inalação e sinais gravitacionais longos
A pesquisa se concentrou em uma classe de sistemas chamados espirais de razão de massa extrema (EMRIs). Isto ocorre quando um objeto pequeno e denso, como um buraco negro criado pelo colapso de uma única estrela, se move em órbita em torno de um buraco negro muito maior, geralmente no centro de uma galáxia. Com o tempo, os objetos menores espiralam gradualmente para dentro, emitindo ondas gravitacionais à medida que descem lentamente.
Espera-se que as próximas missões espaciais, incluindo a antena espacial LISA da Agência Espacial Europeia, com lançamento previsto para 2035, observem estes sinais ao longo do tempo. Alguns eventos EMRI podem ser rastreados durante meses ou até anos, cobrindo centenas de milhares a milhões de rastros individuais. Quando os cientistas conseguem modelar estes sinais com alta precisão, os dados resultantes funcionam como uma “impressão digital cósmica” detalhada, revelando como a matéria está organizada perto de um buraco negro massivo. Isso inclui a matéria escura, que se acredita constituir a maior parte da matéria do universo.
Por que os modelos totalmente relativísticos são importantes
Antes de observatórios como o LISA começarem a recolher dados, os investigadores devem saber antecipadamente quais os padrões de ondas gravitacionais que devem esperar e como interpretá-los. Até o momento, muitos estudos utilizaram modelos simplificados que descrevem apenas aproximadamente como o ambiente circundante afeta a EMRI. Os autores sugerem que essas aproximações ignoram efeitos físicos importantes.
Este novo trabalho aborda esta limitação introduzindo a primeira estrutura totalmente relativística para uma variedade de ambientes possíveis. Isto significa que o cálculo depende inteiramente da teoria da gravidade de Einstein, em vez da aproximação newtoniana simplificada. Como resultado, o modelo pode descrever com mais precisão como o material em torno de um buraco negro massivo altera a órbita de objetos menores e remodela as ondas gravitacionais emitidas.
Picos de matéria escura e assinaturas detectáveis
O foco desta pesquisa são as regiões densas de matéria escura que podem se formar em torno de buracos negros massivos. Essas concentrações são frequentemente chamadas de “picos” ou “montes”. Ao incorporar modelos relativísticos nos cálculos modernos de formas de onda gravitacionais, os investigadores demonstraram que esta estrutura de matéria escura deixará assinaturas únicas e mensuráveis em sinais detectados por futuros observatórios.
Os autores descrevem o estudo como um passo importante em direção a objetivos científicos maiores. Com o tempo, eles esperam que as ondas gravitacionais possam ser usadas para mapear a distribuição da matéria escura em todo o universo e fornecer novos insights sobre as suas propriedades fundamentais.
