Estrelas canibais, estrelas de bósons... astrofísicos descrevem um universo tão diferente

Pesquisadores do SISSA — em colaboração com o INFN, o IFPU e a Universidade de Varsóvia — publicaram um estudo na Physical Review D que revoluciona nossa compreensão dos primeiros momentos cósmicos. Seu trabalho explora a hipótese de um período muito breve em que a matéria dominou o Universo nascente, criando condições propícias à formação de objetos cósmicos compactos. Essa fase, embora efêmera, teria sido suficiente para iniciar processos físicos que moldaram a evolução subsequente do cosmos. 

Ilustração retirada do Pixabay

Durante esse período de domínio da matéria, partículas elementares teriam se agrupado em halos que, sob a influência de suas próprias interações, teriam sofrido colapso gravitacional. Esse processo teria levado à criação de diversos objetos cósmicos, desde buracos negros primordiais a estrelas de bósons, e até mesmo estruturas mais exóticas. Essas formações teriam existido por apenas alguns segundos antes de se transformarem ou desaparecerem completamente.

Dentre esses objetos estranhos, as estrelas canibais se destacam devido ao seu mecanismo energético único. Ao contrário das estrelas clássicas, que obtêm sua energia da fusão nuclear, essas entidades hipotéticas seriam alimentadas pela aniquilação de suas partículas constituintes. As estrelas de bósons, por outro lado, manteriam sua coesão graças às propriedades quânticas de seus constituintes, representando uma forma de matéria estelar completamente diferente de tudo o que conhecemos.

Os buracos negros primordiais resultantes desses colapsos têm massas notavelmente baixas, algumas equivalentes à de um asteroide. De acordo com os modelos teóricos desenvolvidos pela equipe, alguns desses microburacos negros podem ter desaparecido rapidamente por evaporação, enquanto outros podem constituir uma porção significativa da matéria escura que os cosmólogos ainda procuram . Essa diversidade de cenários abre novas perspectivas para a compreensão da composição do nosso Universo.

As implicações deste trabalho vão além dos primeiros momentos cósmicos. Os pesquisadores enfatizam que processos semelhantes podem estar ocorrendo hoje em halos de matéria escura autointeragente. O estudo desses fenômenos em modelos de partículas simples pode lançar nova luz sobre os mecanismos de formação e acreção de estrelas que moldam a evolução das galáxias e dos aglomerados cósmicos.

Halos de matéria primordial

Os halos de matéria primordial aparecem como concentrações de partículas elementares que se formaram no início do Universo. Acredita-se que essas estruturas microscópicas tenham surgido naturalmente durante o breve período em que a matéria dominava o cosmos nascente, muito antes do surgimento das primeiras galáxias. Sua existência hipotética baseia-se em modelos cosmológicos que descrevem as interações entre partículas fundamentais sob condições de densidade e temperatura extremas.

A formação desses halos teria resultado de flutuações quânticas amplificadas pela rápida expansão do Universo. As partículas, interagindo entre si, teriam criado regiões ligeiramente mais densas que o seu entorno. Sob a influência da gravidade, essas sobredensidades teriam se intensificado gradualmente, levando à criação de estruturas coerentes. Esse processo lembra o que forma as galáxias hoje, mas em escalas muito menores e sob condições físicas radicalmente diferentes.

A estabilidade desses halos dependia diretamente da natureza das interações entre as partículas. Alguns modelos propõem que forças adicionais, além da gravidade e das interações padrão, podem ter desempenhado um papel decisivo em sua evolução. A duração dessas estruturas variava consideravelmente dependendo de suas propriedades, algumas durando apenas frações de segundo, enquanto outras podiam persistir o suficiente para influenciar estágios subsequentes da evolução cósmica.

O estudo desses halos primordiais oferece uma janela única para a física de altas energias. Suas propriedades podem revelar aspectos da teoria de partículas que escapam aos aceleradores terrestres. Além disso, sua evolução pode ter deixado marcas observáveis ​​na radiação cósmica de fundo em micro-ondas ou na distribuição da matéria escura, fornecendo assim pistas valiosas para testar modelos cosmológicos.

Colapso gravotérmico

O colapso gravotérmico descreve um processo pelo qual um sistema de partículas interagindo perde energia e se contrai sob a influência de sua própria gravidade. No início do Universo, acredita-se que esse mecanismo tenha transformado halos de matéria em objetos cósmicos compactos. Diferentemente dos colapsos gravitacionais clássicos, esse fenômeno incorpora efeitos térmicos e interações entre as partículas, criando uma dinâmica muito diferente.

O processo começa quando partículas dentro de um halo trocam energia por meio de colisões e interações. Essas trocas levam a uma redistribuição de energia, com algumas partículas ganhando velocidade suficiente para escapar do sistema. A perda de energia resultante reduz a pressão interna que sustenta o halo contra o colapso gravitacional. Gradualmente, o sistema se contrai, aumentando sua densidade e temperatura.

À medida que a contração se intensifica, as interações entre as partículas tornam-se mais frequentes e mais energéticas. Em alguns casos, essas interações podem desencadear reações em cadeia que aceleram o colapso. A natureza exata do objeto final depende das propriedades das partículas envolvidas e das condições iniciais do halo. Alguns halos podem formar buracos negros, enquanto outros podem se estabilizar como estrelas exóticas.

Esse mecanismo compartilha semelhanças com a formação de estrelas atuais, mas com diferenças fundamentais relacionadas à ausência de elementos pesados ​​e às energias muito mais elevadas envolvidas. Compreender o colapso gravotérmico no Universo primordial pode explicar fenômenos contemporâneos, como a dinâmica de aglomerados globulares ou a evolução de galáxias anãs, onde processos semelhantes podem ocorrer em diferentes escalas.

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