Uma partícula “impossível” incrivelmente energética que atingiu a Terra em 2023 pode ter sido detritos de um buraco negro primordial em explosão formado durante o Big Bang. Se for esse o caso, então poderia provar a existência de buracos negros primordiais, o que poderia então ajudar a explicar de que é feita a “matéria” mais misteriosa do universo, a matéria escura.
A partícula em questão era uma neutrino com uma energia 100.000 vezes maior que a das partículas de maior energia produzidas pelo maior e mais poderoso acelerador de partículas do mundo, o Grande Colisor de Hádrons (LHC). Na verdade, a partícula era tão energética que os cientistas não têm conhecimento de nenhum fenômeno cósmico natural poderoso o suficiente para criá-la.
A chave para as explosões de buracos negros é o vazamento de Radiação Hawkingum tipo de radiação térmica nomeada em homenagem ao físico Stephen Hawking, que propôs pela primeira vez a sua existência em 1974. Quanto mais quente é um buraco negro, mais rápido ele vaza radiação Hawking, perdendo massa e finalmente encerrando sua vida em uma explosão massiva.
O problema é que quanto maior é um buraco negro, mais frio ele é e mais lentamente perde radiação térmica para o seu entorno. Assim, mesmo os mais pequenos buracos negros de massa estelar, nascidos quando estrelas massivas se transformam em supernovas no final das suas vidas, levariam cerca de 10^67 anos, muito mais do que a idade do Universo, para libertar radiação suficiente para atingir esta fase explosiva.
No entanto, Hawking também teorizou que pode existir outro tipo de buraco negro, nascido não da morte de uma estrela, mas diretamente das flutuações de densidade no “mar primordial” de partículas ultraquentes que encheram o cosmos durante os primeiros momentos após o Big Bang. E como estes buracos negros primordiais podem ser extremamente pequenos, com massas inferiores às de um planeta ou mesmo de um grande asteróide, em vez de 3 a 5 vezes a massa do Sol, como os buracos negros de massa estelar mais pequenos, então podem ser suficientemente quentes para libertarem radiação Hawking com eficiência suficiente para explodirem.
“Quanto mais leve for um buraco negro, mais quente ele deverá ser e mais partículas emitirá”, disse Andrea Thamm, da Universidade de Massachusetts Amherst, membro da equipe. disse em um comunicado. “À medida que os buracos negros primordiais evaporam, tornam-se cada vez mais leves e mais quentes, emitindo ainda mais radiação num processo descontrolado até à explosão. É essa radiação Hawking que os nossos telescópios conseguem detectar.”
Os astrônomos por trás desta pesquisa estimam que um buraco negro primordial deveria explodir com uma frequência de cerca de um a cada dez anos ou mais. Até agora, nenhuma destas explosões foi detectada e, portanto, os buracos negros primordiais e a radiação Hawking permanecem puramente teóricos. Isto, é claro, a menos que evidências de um buraco negro primordial em explosão fossem descobertas, cortesia de um tipo diferente de detecção, cuja verdadeira natureza não foi imediatamente compreendida.
A partícula impossível
O neutrino incrivelmente energético foi detectado em 2023 por uma rede de detectores de neutrinos chamada KM3NeT localizada no Mar Mediterrâneo.
“Observar o neutrino de alta energia foi um evento incrível”, disse Michael Baker, membro da equipe e pesquisador da Universidade de Massachusetts Amherst. “Isso nos deu uma nova janela para o universo. Mas agora podemos estar prestes a verificar experimentalmente a radiação Hawking, obtendo evidências tanto de buracos negros primordiais quanto de novas partículas além do Modelo Padrão, e explicando o mistério de matéria escura.”
No entanto, há um obstáculo. O evento não foi detectado por um detector de neutrinos semelhante chamado IceCube, situado nas profundezas do gelo do Pólo Sul. Isso foi um problema, porque o IceCube foi projetado especificamente para detectar neutrinos de alta energia, mas nunca detectou uma dessas partículas com pelo menos 1/100 da energia do neutrino impossível.
Se um buraco negro primordial explodir uma vez por década, então o IceCube deveria ser bombardeado com neutrinos de alta energia. Então, onde eles estão?
A equipe da Universidade de Massachusetts Amherst tem uma teoria.
“Pensamos que os buracos negros primordiais com uma ‘carga escura’ – o que chamamos de buracos negros primordiais quase extremos – são o elo perdido”, disse o membro da equipe Joaquim Iguaz Juan, da Universidade de Massachusetts Amherst.
Uma “carga escura” é uma versão da força eletromagnética com a qual estamos familiarizados, mas não é transportada por um elétron padrão, mas por um parente muito mais pesado, uma partícula hipotética chamada “elétron escuro”.
“Existem outros modelos mais simples de buracos negros primordiais”, disse Baker. “O nosso modelo de carga escura é mais complexo, o que significa que pode fornecer um modelo mais preciso da realidade. O que é tão interessante é ver que o nosso modelo pode explicar este fenómeno de outra forma inexplicável.”
Um buraco negro primordial com carga escura teria propriedades únicas que o fariam se comportar de maneira diferente de um buraco negro primordial padrão, e isso poderia não apenas explicar o neutrino impossível, mas também resolver o mistério do que realmente é a matéria escura.
A matéria escura tem sido tão problemática porque, ao contrário das partículas que compõem a matéria padrão, ela não interage com a radiação eletromagnética, ou “luz”. Isto significa que, apesar de superar as partículas comuns numa proporção de 5 para 1, a matéria escura é efetivamente invisível e totalmente misteriosa. Um possível candidato à matéria escura são os buracos negros primordiais.
“Se a nossa hipótese de carga escura for verdadeira, então acreditamos que poderá haver uma população significativa de buracos negros primordiais, o que seria consistente com outras observações astrofísicas e seria responsável por toda a matéria escura em falta no Universo”, concluiu Iguaz Juan.
A pesquisa da equipe foi aceita para publicação na revista Cartas de revisão física.
