Buraco negro primordial

Imagem de um buraco negro, em concepção artística da NASA

Um buraco negro primordial é um tipo de buraco negro hipotético que seria formado não pelo colapso gravitacional de uma estrela, mas pela extrema densidade da matéria presente durante a expansão inicial do universo.[1]

De acordo com o modelo do Big Bang quente, também chamado de modelo cosmológico padrão,[2] durante os primeiros poucos momentos após o Big Bang, a pressão e a temperatura eram extremamente altas.[3] Sob estas condições, pequenas flutuações na densidade da matéria podem ter resultado em regiões com densidade suficientemente alta para criar buracos negros. Embora muitas das regiões de alta densidade devam ter se dispersado rapidamente pela expansão do universo, um buraco negro primordial poderia ser estável, persistindo até o presente.[4]

Possível detecção

Um meio de se detectar buracos negros primordiais é por sua radiação Hawking. Todos os buracos negros acredita-se emitirem radiação Hawking a taxa inversamente proporcional a sua massa.[5] Desde que esta emissão consequentemente decresce sua massa, buracos negros com massa muito pequena irão experimentar consequente "evaporação", criando uma massiva erupção de radiação. Um buraco negro regular (de aproximadamente 3 massas solares) não pode perder toda sua massa dentro do tempo de vida do universo (eles tomariam aproximadamente 1060 anos para fazer isto).[6] Entretanto, desde que buracos negros primordiais não sejam formados por colapsos de núcleos estelares, eles podem ser de qualquer tamanho. Um buraco negro com uma massa de aproximadamente 1012 kg deveria ter um tempo de vida aproximadamente igual à idade do universo. Se tais buracos negros de baixa massa foram criados em número suficiente no Big Bang, eles deveriam estar aptos a serem observados explodindo hoje nas vizinhanças da Via Láctea.[4] O telescópio espacial Fermi da NASA, lançado em 2008, foi projetado para pesquisar por tais buracos negros primordiais em "evaporação".[7] Entretanto, se a teoria de Stephen Hawking não existir de fato, tais buracos negros primordiais serão de extremamente difícil, se não impossível, detecção no espaço devido a seu pequeno tamanho e ausência de grande influência gravitacional. Tem-se sugerido que um pequeno buraco negro passando através da Terra produziria um sinal acústico detectável.[8][9] Por causa de seu pequeno diâmetro, e relativamente alta velocidade (~0.5 c), tais buracos negros primordiais iriam simplesmente transitar pela terra virtualmente desimpedidos com somente alguns impactos nos núcleons, deixando o planeta sem efeitos nocivos.[10]

Em agosto de 2016, uma equipe japonesa de astrofísicos relatou que os buracos negros do LIGO podem ser primordiais, e que, em caso afirmativo, eles poderiam ser uma parcela da matéria escura do universo.[11][12][13] Cientistas da Universidade Johns Hopkins confirmaram que a taxa estimada das fusões dos buracos negros correspondem com o valor esperado de matéria escura em um buraco negro primordial.[14] Os pesquisadores afirmam que os buracos negros primordiais poderiam explicar apenas uma pequena fração da matéria escura.[15]

Implicações

A "evaporação" de buracos negros primordiais tem sido sugerida como uma possível explicação para as erupções de raios gama.[7] Esta explicação é, entretanto, considerada inadequada. Outros problemas para a existência de tais buracos negros primordiais têm sido sugeridos, incluindo o problema da matéria escura, o problema da parede de domínio cosmológica e o problema do monopolo magnético cosmológico.[16][17]

Mesmo se estes problemas não forem resolvidos, o baixo número de buracos negros primordiais (eles nunca foram verdadeiramente detectados) irá ajudar os cosmólogos a estabelecer limitações sobre o espectro de flutuações da densidade no universo inicial.[18]

Teoria das cordas

A teoria da relatividade geral prediz que os menores buracos negros primordiais deveriam "evaporar" na atualidade, mas se há uma quarta dimensão espacial — como previsto pela teoria das cordas — ele deveriam afetar como a gravidade atua em pequenas escalas e "reduziria a evaporação substancialmente."[19] Isto significaria que haveria alguns milhares de buracos negros em nossa galáxia. Para testar esta teoria, a NASA colocou o telescópio espacial Fermi em órbita no dia 11 de junho de 2008. Se ele observar padrões específicos de pequenas interferências dentro das erupções de raios gama; seria a primeira evidência indireta dos buracos negros primordiais e da teoria das cordas.[20]

Referências

  1. ↑ Zel'dovich, Ya. B.; Novikov, I. D. (1 de janeiro de 1966). «The Hypothesis of Cores Retarded during Expansion and the Hot Cosmological Model». Astronomicheskii Zhurnal. 758 páginas. ISSN 0004-6299. Consultado em 22 de outubro de 2021 
  2. ↑ Kolb, Edward W.; Turner, Michael S. (1994). The Early Universe (em inglês). Reading: Addison-Wesley. p. 47. ISBN 0-201-62674-8 
  3. ↑ Harada, Tomohiro; Yoo, Chul-Moon; Kohri, Kazunori (28 de outubro de 2013). «Threshold of primordial black hole formation». Physical Review D (8). 084051 páginas. ISSN 1550-7998. doi:10.1103/PhysRevD.88.084051. Consultado em 22 de outubro de 2021 
  4. ↑ a b Montero-Camacho, Paulo; Fang, Xiao; Vasquez, Gabriel; Silva, Makana; Hirata, Christopher M. (23 de agosto de 2019). «Revisiting constraints on asteroid-mass primordial black holes as dark matter candidates». Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (08): 031–031. ISSN 1475-7516. doi:10.1088/1475-7516/2019/08/031. Consultado em 22 de outubro de 2021 
  5. ↑ Hawking, S. W. (1 de janeiro de 1977). «The quantum mechanics of black holes.». Scientific American: 34–40. ISSN 0036-8733. doi:10.1038/scientificamerican0177-34. Consultado em 22 de outubro de 2021 
  6. ↑ Barnacka, A.; Glicenstein, J.-F.; Moderski, R. (2 de agosto de 2012). «New constraints on primordial black holes abundance from femtolensing of gamma-ray bursts». Physical Review D (4). 86 páginas. ISSN 1550-7998. doi:10.1103/PhysRevD.86.043001. Consultado em 22 de outubro de 2021 
  7. ↑ a b Boucenna, Sofiane M.; Kuhnel, Florian; Ohlsson, Tommy; Visinelli, Luca (2 de julho de 2018). «Novel Constraints on Mixed Dark-Matter Scenarios of Primordial Black Holes and WIMPs». Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (07): 003–003. ISSN 1475-7516. doi:10.1088/1475-7516/2018/07/003. Consultado em 22 de outubro de 2021 
  8. ↑ I. B. Khriplovich, A. A. Pomeransky, N. Produit and G. Yu. Ruban, Passage of small black hole through the Earth. Is it detectable?, preprint
  9. ↑ I. B. Khriplovich, A. A. Pomeransky, N. Produit and G. Yu. Ruban, Can one detect passage of small black hole through the Earth?, preprint
  10. ↑ Khriplovich, I. B.; Pomeransky, A. A.; Produit, N.; Ruban, G. Yu (13 de março de 2008). «Can one detect passage of small black hole through the Earth?». Physical Review D (6). 064017 páginas. ISSN 1550-7998. doi:10.1103/PhysRevD.77.064017. Consultado em 22 de outubro de 2021 
  11. ↑ Primordial Black Hole Scenario for the Gravitational-Wave Event GW150914 por Misao Sasaki, Teruaki Suyama, Takahiro Tanaka, e Shuichiro Yokoyama DOI:"Phys. Rev. Lett. 117, 061101" (2016)
  12. ↑ Clesse, Sebastien; García-Bellido, Juan (março de 2017). «The clustering of massive Primordial Black Holes as Dark Matter: measuring their mass distribution with Advanced LIGO». Physics of the Dark Universe: 142–147. doi:10.1016/j.dark.2016.10.002. Consultado em 22 de outubro de 2021 
  13. ↑ Cholis, Ilias; Kovetz, Ely D.; Ali-Haïmoud, Yacine; Bird, Simeon; Kamionkowski, Marc; Muñoz, Julian B.; Raccanelli, Alvise (6 de outubro de 2016). «Orbital eccentricities in primordial black holes binaries». Physical Review D (8). 084013 páginas. ISSN 2470-0010. doi:10.1103/PhysRevD.94.084013. Consultado em 22 de outubro de 2021 
  14. ↑ Did LIGO Detect Dark Matter? por Simeon Bird, Ilias Cholis, Julian B. Muñoz, Yacine Ali-Haïmoud, Marc Kamionkowski, Ely D. Kovetz, Alvise Raccanelli, e Adam G. Riess em "Phys. Rev. Lett. 116, 201301" (2016)
  15. ↑ LIGO’s black holes may be dark matter Analysis of gravitational wave detection suggests primordial origin of merging masses por Emily Conover, publicado pela "Science News" (2016)
  16. ↑ Dejan Stojkovic, Katherine Freese and Glenn D. Starkman; Holes in the walls: Primordial black holes as a solution to the cosmological domain wall problem; Phys. Rev. D 72, 045012 (2005) ; DOI 10.1103/PhysRevD.72.045012 - scitation.aip.org (em inglês)
  17. ↑ Dejan Stojkovic and Katherine Freese; A black hole solution to the cosmological monopole problem; Physics Letters B; Volume 606, Issues 3-4, 27 January 2005, Pages 251-257; doi:10.1016/j.physletb.2004.12.019 - www.sciencedirect.com (em inglês)
  18. ↑ Tashiro, Hiroyuki; Sugiyama, Naoshi (11 de novembro de 2013). «The effect of primordial black holes on 21 cm fluctuations». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (4): 3001–3008. ISSN 1365-2966. doi:10.1093/mnras/stt1493. Consultado em 22 de outubro de 2021 
  19. ↑ McKee, Maggie. (2006) NewScientistSpace.com – Satellite could open door on extra dimension (em inglês)
  20. ↑ Ali-Haïmoud, Yacine; Kamionkowski, Marc (24 de fevereiro de 2017). «Cosmic microwave background limits on accreting primordial black holes». Physical Review D (4). 043534 páginas. ISSN 2470-0010. doi:10.1103/PhysRevD.95.043534. Consultado em 22 de outubro de 2021 

Ligações externas