Uma nova simulação computacional feita pela NASA mostra que as partículas da matéria escura colidindo na extrema gravidade de um buraco negro pode produzir uma luz de raios-gamma forte e potencialmente observável. Detectando essa emissão forneceria aos astrônomos com uma nova ferramenta para entender tanto os buracos negros como a natureza da matéria escura, uma elusiva substância responsável pela maior parte da massa do universo que nem reflete, absorve ou emite luz.
“Embora nós não saibamos o que a matéria escura é, nós sabemos que ela interage com o resto do universo através da gravidade, que significa que ela precisa acumular ao redor de buracos negros supermassivos”, disse Jeremy Schnittman, um astrofísico do Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland. “Um buraco negro não somente concentra naturalmente partículas de matéria escura, sua força gravitacional amplifica a energia e o número de colisões que pode produzir raios-gamma”.
Num estudo publicado no The Astrophysical Journal em 23 de Junho de 2015, Schnittman descreve os resultados de uma simulação computacional que ele desenvolveu para seguir a órbita de centenas de milhões de partículas de matéria escura, bem como os raios-gamma produzidos quando elas colidem, na vizinhança de um buraco negro. Ele encontrou que alguma parte de raios-gamma escapou com energias que excediam muito o que era previsto anteriormente como limites teóricos.
Na simulação, a matéria escura tomou a forma da Weakly Interacting Massive Particles, ou WIMPS, agora vastamente tida como o principal candidato para o que a matéria escura seria. Nesse modelo, as WIMPs, que colidem com outras WIMPs mutualmente aniquilam e convertem em raios-gamma, a forma de luz mais energética existente. Mas essas colisões são extremamente raras sob as condições normais.
No decorrer dos últimos anos, os teóricos se voltaram para os buracos negros como sendo os concentradores de matéria escura, onde as WIMPs podem ser forçadas juntas de uma maneira que aumenta tanto a taxa e as energias de colisões. O conceito é uma variação do processo de Penrose, identificado primeiro em 1969 pelo astrofísico britânico Sir Roger Penrose como um mecanismo para extrair energia de um buraco negro em rotação. Quanto mais rápido ele gira, mais energia potencial ele ganhará.
Nesse processo, toda a ação acontece fora do horizonte de eventos do buraco negro, o limite além do qual nada pode escapar, numa região plana chamada de ergosfera. Dentro da ergosfera, a rotação do buraco negro arrasta o espaço-tempo juntamente com ela e tudo é forçado para se mover na mesma direção com uma velocidade próxima da lua. Isso cria um laboratório natural mais extremo do que qualquer outro possível na Terra.
Quanto mais rápido o buraco negro gira, maior é a ergosfera, que permite que as colisões de alta energia aconteçam além do horizonte de eventos. Isso melhora as chances de que qualquer raio-gamma produzido escapará do buraco negro.
“Trabalhos anteriores indicam que a energia máxima de saída da versão colisional do processo de Penrose era somente cerca de 30% maior do que aquela que deu início ao processo”, disse Schnittman. Em adição a isso, somente uma pequena porção dos raios-gamma de alta energia escapam da ergosfera. Esses resultados sugerem que claras evidências de que o processo de Penrose possa nunca ser visto de um buraco negro supermassivo.
Mas os estudos anteriores incluíram premissas simplificadas sobre onde as colisões de mais alta energia eram mais prováveis de ocorrer. Movendo além desse trabalho inicial significa desenvolver um modelo computacional mais completo, um que rastreia grandes números de partículas à medida que elas se juntam perto de um buraco negro em rotação e interagem entre elas.
A simulação computacional do Schnittman fez isso. Rastreando as posições e as propriedades de centenas de milhões de partículas aleatoriamente distribuídas à medida que elas colidem e se aniquilam perto do buraco negro, o novo modelo revela processos que produzem raios-gamma com energias muito mais altas, bem como uma melhor probabilidade de escape e detecção, mais do que se pensava possível. Ele identificou caminhos anteriormente não reconhecidos onde as colisões produzem raios-gamma com um pico de energia 14 vezes mais alta do que das partículas originais.
Usando os resultados desse novo cálculo, Schnittman criou uma imagem simulada do brilho de raios-gamma como visto por um distante observador observando ao longo do equador do buraco negro. A luz de mais alta energia nasce do centro da região de forma crescente no lado do buraco negro girando em nossa direção. Essa é a região onde os raios-gamma têm a maior chance de sair da ergosfera e ser detectada por um telescópio.
A pesquisa é o início de uma jornada que Schnittman espera um dia culminará com a incontroversa detecção de um sinal de aniquilação da matéria escura ao redor de um buraco negro supermassivo.
“A simulação nos diz que existe um sinal interessante do ponto de vista astrofísico que nós temos o potencial de detectar num futuro não muito distante, à medida que os telescópios de raios-gamma melhoram”, disse Schnittman. “O próximo passo é criar um arcabouço de ajuste fino tanto nas físicas de partículas como nos modelos de buracos negros”.
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