Detectando novas partículas ao redor de buracos negros com ondas gravitacionais

Nuvens de partículas ultraleves podem se formar em torno de buracos negros em rotação. Uma equipe de físicos da Universidade de Amsterdã e da Universidade de Harvard agora mostra que essas nuvens deixariam uma marca característica nas ondas gravitacionais emitidas por buracos negros binários.

 Um átomo no céu. Se existissem novas partículas ultraleves, os buracos negros seriam cercados por uma nuvem dessas partículas que se comportaria surpreendentemente semelhante à nuvem de elétrons em um átomo. Quando outro objeto pesado entra em espiral e, eventualmente, se funde com o buraco negro, o átomo gravitacional fica ionizado e emite partículas, assim como os elétrons são emitidos quando a luz incide sobre um metal. Crédito: Instituto de Física UVA

Acredita-se que os buracos negros engolem todas as formas de matéria e energia que os cercam. Há muito se sabe, no entanto, que eles também podem perder parte de sua massa por meio de um processo chamado superradiância. Embora se saiba que esse fenômeno ocorre, ele só é eficaz se existirem na natureza partículas novas, até agora não observadas, com massa muito baixa, conforme previsto por várias teorias além do Modelo Padrão da física de partículas. 

Átomos gravitacionais ionizantes 

Quando a massa é extraída de um buraco negro via superradiância, ela forma uma grande nuvem ao redor do buraco negro, criando o chamado átomo gravitacional. Apesar do tamanho imensamente maior de um átomo gravitacional, a comparação com átomos submicroscópicos é precisa devido à semelhança do buraco negro mais sua nuvem com a estrutura familiar de átomos comuns, onde nuvens de elétrons cercam um núcleo de prótons e nêutrons. 

Em uma publicação que apareceu na Physical Review Letters esta semana, uma equipe composta pelos físicos da UVA Daniel Baumann, Gianfranco Bertone e Giovanni Maria Tomaselli, e o físico da Universidade de Harvard John Stout, sugerem que a analogia entre átomos comuns e gravitacionais é mais profunda do que apenas o semelhança na estrutura. Eles afirmam que a semelhança pode de fato ser explorada para descobrir novas partículas com os próximos interferômetros de ondas gravitacionais. 

No novo trabalho, os pesquisadores estudaram o equivalente gravitacional do chamado “efeito fotoelétrico”. Nesse processo bem conhecido, que por exemplo é explorado em células solares para produzir uma corrente elétrica, os elétrons comuns absorvem a energia das partículas de luz incidentes e são assim ejetados de um material - os átomos "ionizam-se". No análogo gravitacional, quando o átomo gravitacional faz parte de um sistema binário de dois objetos pesados, é perturbado pela presença do companheiro massivo, que pode ser um segundo buraco negro ou uma estrela de nêutrons. Assim como os elétrons no efeito fotoelétricoabsorver a energia da luz incidente, a nuvem de partículas ultraleves pode absorver a energia orbital do companheiro, de modo que parte da nuvem seja ejetada do átomo gravitacional.  

Encontrando novas partículas 

A equipe demonstrou que esse processo pode alterar drasticamente a evolução de tais sistemas binários, reduzindo significativamente o tempo necessário para que os componentes se fundam. Além disso, a ionização do átomo gravitacional é aumentada em distâncias muito específicas entre os buracos negros binários , o que leva a características nítidas nas ondas gravitacionais que detectamos em tais fusões. Futuros interferômetros de ondas gravitacionais – máquinas semelhantes aos detectores LIGO e Virgo que nos últimos anos nos mostraram as primeiras ondas gravitacionais de buracos negros— puderam observar esses efeitos. Encontrar as características previstas de átomos gravitacionais forneceria evidências distintas para a existência de novas partículas ultraleves.

Fonte: phys.org