Um novo tipo de buracos negros: cabeludos e cercados por anéis de partículas elementares

Em nosso estudo publicado em 21 de outubro de 2024 na revista Physical Review Letters, prevemos a existência de um novo tipo de buracos negros que seriam cercados por anéis semelhantes em forma aos de Saturno, mas compostos por partículas elementares. 

Esquema do buraco negro (ponto preto), cercado por uma zona de campo magnético muito intenso (região cinza), seguido por três anéis. O azul carrega parte da carga magnética e os outros dois correspondem a correntes elétricas de bósons W que circulam ao redor do buraco negro. Romain Gervalle e Mikhail Volkov, Fornecido pelo autor

A teoria da Relatividade Geral de Einstein prevê a existência dos buracos negros: regiões no espaço-tempo onde a gravidade é tão intensa que nada, nem mesmo a luz, pode escapar. Sua existência hipotética foi formulada em 1916, quando as soluções das equações matemáticas da Relatividade Geral descrevendo buracos negros foram obtidas.

No entanto, sua existência real foi debatida pelos cientistas por quase um século. Em 1965, os trabalhos teóricos do matemático britânico Roger Penrose demonstraram que buracos negros são inevitavelmente formados pelo colapso gravitacional das estrelas, e foi necessário esperar até os anos 90 para que observações astronômicas, conduzidas pelos astrofísicos americanos Reinhard Genzel e Andrea Ghez, revelassem o que parece ser um buraco negro gigantesco no centro de nossa galáxia. Essa descoberta lhes valeu, assim como a Roger Penrose, o Prêmio Nobel de Física em 2020.

Hoje, graças às observações da colaboração internacional Event Horizon Telescope, somos capazes de discernir a sombra do buraco negro localizado no centro da Via Láctea.

A existência de buracos negros no Universo foi, portanto, solidamente estabelecida, mas as descobertas não param por aí. Nós prevemos hoje a existência de buracos negros de um novo tipo, sugeridos pelo Modelo Padrão das forças fundamentais.

A origem dos buracos negros

Hoje é comumente aceito que os buracos negros são onipresentes em nosso Universo. Geralmente, distinguimos dois cenários que explicam sua formação.

Primeiro, há os buracos negros estelares, formados pelo colapso gravitacional de estrelas comuns no final de suas vidas, ou seja, quando elas acabam por colapsar sob seu próprio peso após consumir todo seu combustível. Sua massa varia tipicamente de 2-3 massas solares a dezenas — ou até centenas — de massas solares. Após sua formação, esses buracos negros estelares podem crescer absorvendo matéria ao seu redor. Eles também podem se fundir entre si, com uma emissão significativa de ondas gravitacionais, cuja primeira detecção foi reconhecida pelo Prêmio Nobel de Física em 2017.

Também é possível que alguns buracos negros, chamados primordiais, tenham se formado pelo colapso da matéria primária durante o primeiro segundo após o Big Bang. A massa desses buracos negros primordiais pode ser gigantesca, até bilhões de massas solares para os buracos negros supermassivos localizados no centro da maioria das galáxias.

Mas também pode ser pequena, da ordem de planetas ou asteroides, concentrada em um raio de menos de um centímetro! Portanto, é possível que o Universo esteja repleto desses minúsculos buracos negros primordiais, cuja detecção futura constitui um grande desafio para a astrofísica observacional. Os buracos negros primordiais ainda mais leves teriam evaporado muito rapidamente de acordo com o processo de Hawking e não teriam sobrevivido até os dias atuais.

Nossos resultados sugerem que alguns dos pequenos buracos negros primordiais que ainda existem hoje poderiam possuir uma nova propriedade: serem "cabeludos".

Os buracos negros "não têm cabelo"

Os buracos negros estelares não guardam nenhuma memória da estrela que colapsou para levar à sua formação, exceto a de sua massa, sua carga elétrica (ou magnética) e sua velocidade de rotação. Todas as outras características de seu estado inicial (por exemplo, a composição química da estrela) são completamente perdidas durante o colapso, e todos os buracos negros com a mesma massa, mesma carga e mesma velocidade de rotação são absolutamente idênticos.

O físico americano John Wheeler ilustrou essa propriedade com uma frase que se tornou famosa: "os buracos negros não têm cabelo", onde por "cabelo" entende-se qualquer outro parâmetro além da massa, carga e velocidade de rotação.

Essa propriedade dos buracos negros estelares é confirmada pelos teoremas de unicidade, enquanto, para os buracos negros primordiais, foi postulada como uma conjectura, parcialmente confirmada por uma série de "teoremas de calvície".

E, no entanto... os primórdios dos buracos negros cabeludos

Entre as quatro forças fundamentais da natureza, há duas, a gravitação e o eletromagnetismo, que atuam em escala macroscópica e explicam a estrutura dos buracos negros estelares que são "carecas". As outras duas forças, chamadas fraca e forte, atuam apenas em escala microscópica, dentro dos átomos. Será que essas duas últimas forças fundamentais podem influenciar a estrutura dos buracos negros?

As teorias físicas que descrevem essas forças são bastante complicadas de estudar, e é por isso que os físicos inicialmente se concentraram em modelos teóricos simplificados. Foi graças a esses modelos simplificados que foram descobertos os buracos negros chamados cabeludos, ou seja, cercados por uma casca de matéria intrinsecamente ligada a eles e, portanto, caracterizados por parâmetros adicionais (além da massa, carga e velocidade de rotação) que permitem distingui-los uns dos outros.

Desde sua primeira descoberta em 1989, muitos exemplos de buracos negros cabeludos foram encontrados por físicos teóricos, mas sempre no contexto de teorias simplificadas ou, ao contrário, extremamente especulativas. Tais buracos negros existem no papel como soluções de equações matemáticas, mas nada permite afirmar que existam realmente em nosso Universo.

Buracos negros com "cabelos eletrofracos"

Em nosso estudo, consideramos a unificação de três teorias exatas, não simplificadas e confirmadas experimentalmente, que reúnem três das quatro forças fundamentais: a gravitação, o eletromagnetismo e a força nuclear fraca (as duas últimas formam juntas a força eletrofraca).

As soluções que obtivemos ao resolver as equações dessas teorias combinadas descrevem buracos negros carregados magneticamente e cercados por um "cabelo" em forma de anéis.

Esses anéis são compostos por partículas elementares (mais precisamente, bósons W, Z e de Higgs), na forma de um condensado de Bose-Einstein — um estado particular da matéria que aparece em certas situações. Em laboratório, foi observado para átomos frios presos por lasers (o que valeu um Prêmio Nobel em 2001 a seus descobridores).

No nosso caso, é o campo magnético intenso do buraco negro carregado que produz o condensado eletrofraco, e como este também é carregado magneticamente, é repelido do buraco negro pela força magnética e, portanto, não cai dentro dele. No entanto, também não é ejetado mais longe, pois é atraído para o buraco negro pela força gravitacional. Ele permanece, portanto, preso fora do buraco negro.

Nossos buracos negros com anéis, de um novo tipo, podem ser de tamanho macroscópico, cerca de um centímetro, enquanto as partículas elementares que compõem seus anéis normalmente aparecem na escala do infinitamente pequeno.

Como esses buracos negros são descritos por teorias confirmadas experimentalmente, isso sugere fortemente que eles existem não apenas como soluções matemáticas, mas também como objetos reais no Universo.

Será que esses buracos negros poderiam ser detectados?

É claro que esses buracos negros cabeludos não poderiam se formar hoje. Por outro lado, as condições favoráveis à sua formação poderiam ter sido encontradas nos primeiros instantes do Universo, no plasma primordial extremamente denso e flutuante. Seriam, portanto, buracos negros primordiais.

É importante notar que esses buracos negros são estáveis, pois a presença dos anéis diminui a massa do buraco negro, de modo que se livrar deles seria energeticamente desfavorável. Eles poderiam, portanto, sobreviver até os dias atuais e fazer parte da matéria escura, essa substância cuja natureza exata permanece desconhecida até hoje e que é detectada apenas por sua influência gravitacional.

Esses buracos negros cabeludos poderiam ser detectados por sua interação com estrelas de nêutrons em rotação (pulsares), pois se forem absorvidos por uma delas (o que pode acontecer porque são muito menores e mais leves), então a estrela continua a existir com o buraco negro dentro, mas isso deve mudar abruptamente sua período de rotação, o que poderia ser detectável.

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