Novas Teorias Para Explicar Os Buracos Negros Primordiais do Universo

Space Today
3 set 2017

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Físicos da UCLA estão propondo novas teorias sobre como os primeiros buracos negros do universo podem ter se formado e o papel que eles tiveram na produção de elementos pesados como o ouro, platina e urânio.

Dois artigos foram publicados recentemente na revista especializada Physical Review Letters.

Uma grande questão da astrofísica é se os primeiros buracos negros do universo tomaram vida menos de um segundo depois do Big Bang ou se eles se formaram somente milhões de anos depois, durante a morte das primeiras estrelas.

Alexander Kusenko, um professor de física da UCLA, e Eric Cotner, um estudante da UCLA, desenvolveram uma teoria simples sugerindo que os buracos negros podem ter se formado pouco tempo depois do Big Bang, muito antes das primeiras estrelas brilharem. Os astrônomos sugeriram anteriormente que os então chamados buracos negros primordiais poderiam ser os responsáveis por toda ou por uma boa parte da misteriosa matéria escura do universo, e que eles poderiam ser a semente para a formação dos buracos negros supermassivos que existem no centro das galáxias. A nova teoria propõem que os buracos negros primordiais podem ajudar a criar muito dos elementos pesados encontrados na natureza.

Os pesquisadores começaram considerando que um campo uniforme de energia permeava o universo logo depois do Big Bang. Os cientistas sempre esperaram que esses campos existissem no passado distante do universo. Após o universo rapidamente se expandir, esse campo de energia teria sido separado em aglutinações. A gravidade faria com que essas aglutinações fossem então atraídas e se fundissem. Os pesquisadores da UCLA propuseram que uma pequena fração dessas aglutinações em crescimento poderia se tornar densas o suficiente para se transformarem em buracos negros.

Essa hipótese é bem genérica, disse Kusenko, e ela não se baseia no que é chamado de coincidências não prováveis, que na maioria das vezes são usadas para explicar os buracos negros primordiais.

O artigo sugere que é possível pesquisar esses buracos negros primordiais usando observações astronômicas. Um método envolve medir as pequenas mudanças no brilho das estrelas que resultam dos efeitos gravitacionais de um buraco negro primordial passando entre a Terra e essa estrela. No início de 2017, astrônomos japoneses e norte-americanos publicaram um artigo onde comentavam a descoberta de uma estrela numa galáxia próxima que aumentou de brilho e depois se apagou precisamente como se um buraco negro primordial tivesse passando na sua frente.

Primordial black holes from scalar field evolution in the early universe from Sérgio Sacani

Num estudo separado, Kusenko, Volodymyr Takhistov, um pesquisador de pós-doutorado da UCLA e George Fuller, um professor na Universidade de San Diego, propuseram que os buracos negros primordiais possam ter um papel importante na formação dos elementos pesados como ouro, prata, platina e urânio, que poderiam estar em formação na nossa galáxia e em outras.

A origem desses elementos pesados tem sido um mistério de longa data para os pesquisadores.

“Os cientistas sabem que esses elementos pesados existem, mas eles não sabem ao certo como eles se formaram”, disse Kusenko. “Isso é muito embaraçoso”.

A pesquisa da UCLA sugere que um buraco negro primordial ocasionalmente colide com uma estrela de nêutrons, a parte remanescente de uma estrela, do tamanho de uma cidade, que resta depois da explosão de uma supernova, e mergulha nas suas profundezas.

Quando isso acontece, disse Kusenko, o buraco negro primordial consume a estrela de nêutrons, de dentro para fora, num processo que leva cerca de 10 mil anos. À medida que a estrela de nêutrons se comprimi, ela gira cada vez mais rápido, eventualmente fazendo com que pequenos fragmentos sejam ejetados para o espaço. Esses fragmentos de material rico em nêutrons pode ser o local onde os nêutrons se fundem para formar elementos pesados.

Contudo, a probabilidade de uma estrela de nêutrons capturar um buraco negro é extremamente baixa, disse Kusenko, o que é consistente com as observações de que somente algumas galáxias são enriquecidas com elementos pesados. A teoria de que buracos negros primordiais colidem com as estrelas de nêutrons para criar elementos pesados, explica a falta de estrelas de nêutrons nas observações feitas do centro da Via Láctea, outro grande mistério da astrofísica.

Agora, Kusenko e seus colegas irão fechar uma colaboração com cientistas na Universidade de Princeton, para rodar simulações computacionais da produção dos elementos pesados, que podem surgir da fusão de um buraco negro com uma estrela de nêutrons. Comparando os resultados dessas simulações com as observações que são feitas de elementos pesados nas galáxias, os pesquisadores poderão determinar se os buracos negros primordiais são mesmo os responsáveis pelo ouro, pela platina e pelo urânio que encontramos aqui na Terra.

Primordial Black Holes and r-Process Nucleosynthesis from Sérgio Sacani

Fonte:

https://phys.org/news/2017-09-physicists-theories-black-holes-early.html

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