Buraco negro primordial - Primordial black hole

Os buracos negros primordiais são um tipo hipotético de buraco negro que se formou logo após o Big Bang . No início do universo, altas densidades e condições heterogêneas poderiam ter levado regiões suficientemente densas a sofrer um colapso gravitacional, formando buracos negros. Yakov Borisovich Zel'dovich e Igor Dmitriyevich Novikov em 1966 propuseram pela primeira vez a existência de tais buracos negros. A teoria por trás de suas origens foi estudada em profundidade por Stephen Hawking em 1971. Como os buracos negros primordiais não se formaram a partir do colapso gravitacional estelar , suas massas podem estar muito abaixo da massa estelar (c.2 × 10 ³⁰  kg ).

História teórica

Dependendo do modelo, os buracos negros primordiais podem ter massas iniciais variando de 10 ^-8  kg (as chamadas relíquias de Planck) para mais de milhares de massas solares. No entanto, os buracos negros primordiais originalmente tinham massa menor do que10 ¹¹  kg não teriam sobrevivido até o presente devido à radiação Hawking , que causa evaporação completa em um tempo muito menor que a idade do Universo. Os buracos negros primordiais não são bariônicos e, como tais, são candidatos plausíveis à matéria escura . Os buracos negros primordiais também são bons candidatos a serem as sementes dos buracos negros supermassivos no centro de galáxias massivas, bem como de buracos negros de massa intermediária .

Os buracos negros primordiais pertencem à classe dos objetos halo compactos massivos (MACHOs). Eles são naturalmente um bom candidato à matéria escura: eles são (quase) sem colisões e estáveis ​​(se suficientemente massivos), têm velocidades não relativísticas e se formam muito no início da história do Universo (normalmente menos de um segundo depois o Big Bang ). No entanto, os críticos sustentam que limites rígidos em sua abundância foram estabelecidos a partir de várias observações astrofísicas e cosmológicas, o que excluiria que eles contribuam significativamente para a matéria escura na maior parte da faixa de massa plausível. No entanto, uma nova pesquisa ofereceu a possibilidade novamente, pela qual esses buracos negros ficariam em aglomerados com um buraco negro primordial de 30 massas solares no centro.

Em março de 2016, um mês após o anúncio da detecção por Advanced LIGO / VIRGO de ondas gravitacionais emitidas pela fusão de dois buracos negros de 30 massas solares (cerca de6 × 10 ³¹  kg ), três grupos de pesquisadores propuseram de forma independente que os buracos negros detectados tinham uma origem primordial. Dois dos grupos descobriram que as taxas de fusão inferidas pelo LIGO são consistentes com um cenário em que toda a matéria escura é feita de buracos negros primordiais, se uma fração não desprezível deles estiver de alguma forma agrupada em halos, como galáxias anãs fracas ou globulares aglomerados , como esperado pela teoria padrão da formação da estrutura cósmica . O terceiro grupo afirmou que essas taxas de fusão são incompatíveis com um cenário totalmente de matéria escura e que os buracos negros primordiais só poderiam contribuir com menos de um por cento da matéria escura total. A grande massa inesperada de buracos negros detectada pelo LIGO reanimou fortemente o interesse em buracos negros primordiais com massas na faixa de 1 a 100 massas solares. No entanto, ainda é debatido se este intervalo é excluído ou não por outras observações, como a ausência de micro-lentes de estrelas, as anisotropias cósmicas de fundo em micro-ondas , o tamanho de galáxias anãs fracas e a ausência de correlação entre raios-X e fontes de rádio em direção ao centro galáctico.

Em maio de 2016, Alexander Kashlinsky sugeriu que as correlações espaciais observados nos não resolvidos de raios gama e raios-X radiações de fundo poderia ser devido a buracos negros primordiais com massas semelhantes, se a sua abundância é comparável à de matéria escura.

Em abril de 2019, um estudo foi publicado sugerindo que essa hipótese pode ser um beco sem saída. Uma equipe internacional de pesquisadores colocou uma teoria especulada pelo falecido Stephen Hawking em seu teste mais rigoroso até agora, e seus resultados descartaram a possibilidade de que buracos negros primordiais menores que um décimo de milímetro (7 × 10 ²² kg) façam a maior parte da matéria escura.

Em agosto de 2019, um estudo foi publicado abrindo a possibilidade de compor toda a matéria escura com buracos negros primordiais de massa de asteróide (3,5 × 10 ⁻¹⁷ - 4 × 10 ⁻¹² massas solares, ou 7,0 × 10 ¹³ - 8 × 10 ¹⁸ kg).

Em setembro de 2019, um relatório de James Unwin e Jakub Scholtz propôs a possibilidade de um buraco negro primordial (PBH) com massa 5–15  M _⊕ (massas terrestres), sobre o diâmetro de uma bola de tênis , existente no cinturão de Kuiper estendido até explicar as anomalias orbitais que teoricamente são o resultado de um nono planeta do sistema solar.

Formação

Os buracos negros primordiais podem ter se formado no início do Universo (menos de um segundo após o Big Bang), durante a chamada era dominada pela radiação . O ingrediente essencial para a formação de um buraco negro primordial é uma flutuação na densidade do Universo, induzindo seu colapso gravitacional. Normalmente, é necessário contrastes de densidade (onde está a densidade do Universo) para formar um buraco negro. Existem vários mecanismos capazes de produzir tais inomogeneidades no contexto da inflação cósmica (em modelos de inflação híbridos, por exemplo, inflação de axions ), reaquecimento ou transições de fase cosmológicas. ${\ displaystyle \ delta \ rho / \ rho \ sim 0.1}$${\ displaystyle \ rho}$

Limites de observação e estratégias de detecção

Uma variedade de observações foi interpretada para colocar limites na abundância e massa dos buracos negros primordiais:

• Vida, radiação Hawking e raios gama: uma maneira de detectar buracos negros primordiais, ou de restringir sua massa e abundância, é por meio de sua radiação Hawking . Hawking teorizado em 1974 que um grande número de tais buracos negros primordiais menores pode existir na maneira leitosa no nosso Galaxy 's halogénio região. Supõe-se que todos os buracos negros emitem radiação Hawking a uma taxa inversamente proporcional à sua massa. Como essa emissão diminui ainda mais sua massa, os buracos negros com massa muito pequena experimentariam uma evaporação descontrolada, criando uma explosão de radiação na fase final, equivalente a uma bomba de hidrogênio produzindo milhões de megatons de força explosiva. Um buraco negro regular (com cerca de 3 massas solares ) não pode perder toda a sua massa na idade atual do universo (levaria cerca de 10 ⁶⁹ anos para fazer isso, mesmo sem qualquer matéria caindo). No entanto, como os buracos negros primordiais não são formados pelo colapso do núcleo estelar, eles podem ter qualquer tamanho. Um buraco negro com uma massa de cerca de 10 ¹¹ kg teria uma vida útil quase igual à idade do universo. Se esses buracos negros de baixa massa fossem criados em número suficiente no Big Bang, deveríamos ser capazes de observar explosões de alguns daqueles que estão relativamente próximos em nossa própria galáxia, a Via Láctea . NASA 's Fermi Gamma-ray Space Telescope satélite, lançado em junho de 2008, foi projetado em parte para procurar tais evaporação buracos negros primordiais. Os dados de Fermi estabeleceram o limite de que menos de um por cento da matéria escura poderia ser feita de buracos negros primordiais com massas de até ¹⁰¹³ kg. A evaporação de buracos negros primordiais também teria um impacto na nucleossíntese do Big Bang e mudaria a abundância de elementos leves no Universo. No entanto, se a radiação Hawking teórica não existe realmente, tais buracos negros primordiais seriam extremamente difíceis, senão impossíveis, de detectar no espaço devido ao seu pequeno tamanho e falta de grande influência gravitacional.
• Lente de rajadas de raios gama: objetos compactos podem induzir uma mudança na luminosidade de rajadas de raios gama ao passar perto de sua linha de visão, através do efeito de lente gravitacional . O experimento Fermi Gamma-Ray Burst Monitor descobriu que os buracos negros primordiais não podem contribuir de maneira importante para a matéria escura dentro da faixa de massa de 5 x 10 ¹⁴ - 10 ¹⁷ kg. Uma reanálise, no entanto, removeu esse limite após levar em consideração a natureza estendida da fonte, bem como os efeitos ópticos das ondas.
• Captura de buracos negros primordiais por estrelas de nêutrons: Se os buracos negros primordiais com massas entre 10 ¹⁵ kg e 10 ²² kg tivessem abundâncias comparáveis ​​à da matéria escura, estrelas de nêutrons em aglomerados globulares deveriam ter capturado alguns deles, levando à rápida destruição de a estrela. A observação de estrelas de nêutrons em aglomerados globulares pode, portanto, ser usada para definir um limite na abundância de buracos negros primordiais. No entanto, um estudo detalhado da dinâmica de captura desafiou esse limite e levou à sua remoção.
• Sobrevivência de anãs brancas: Se um buraco negro primordial passar por uma anã branca C / O, ele pode inflamar o carbono e, subsequentemente, produzir uma explosão descontrolada. A distribuição de massa observada das anãs brancas pode, portanto, fornecer um limite para a abundância dos buracos negros primordiais. Buracos negros primordiais na faixa de ~ 10 ¹⁶ - 10 ¹⁷ kg foram descartados por serem um constituinte dominante da densidade de matéria escura local. Além disso, a explosão descontrolada pode ser vista como uma supernova Tipo Ia. Buracos negros primordiais na faixa de massa de 10 ¹⁷ –10 ¹⁹   kg são limitados pela taxa de supernova observada, embora esses limites estejam sujeitos a incertezas astrofísicas. Um estudo detalhado com simulações hidrodinâmicas desafiou esses limites e levou à reabertura dessas faixas de massa.
• Micro-lentes de estrelas: Se um buraco negro primordial passa entre nós e uma estrela distante, ele induz uma ampliação dessas estrelas devido ao efeito de lentes gravitacionais . Ao monitorar a magnitude das estrelas nas Nuvens de Magalhães , os levantamentos EROS e MACHO colocaram um limite na abundância de buracos negros primordiais na faixa de 10 ²³ - 10 ³¹ kg. Ao observar estrelas na Galáxia de Andrômeda (M31), o Subaru / HSC colocou um limite na abundância de buracos negros primordiais na faixa de 10 ¹⁹ - 10 ²⁴ kg. De acordo com essas pesquisas, os buracos negros primordiais dentro dessa faixa não podem constituir uma fração importante da matéria escura. No entanto, esses limites dependem do modelo. Também foi argumentado que, se os buracos negros primordiais são reagrupados em halos densos, as restrições de micro-lentes são então evitadas naturalmente. A técnica de micro-lentes sofre com o efeito de fonte de tamanho finito e a difração ao sondar buracos negros primordiais com massas menores. Leis de escala foram derivadas para demonstrar que é improvável que as microlentes ópticas limitem a abundância de buracos negros primordiais com massas abaixo de ~ 10 ¹⁸ kg em um futuro previsível.
• Micro-lentes de supernovas Ia : Buracos negros primordiais com massas maiores que 10 ²⁸ kg aumentariam a supernova tipo Ia distante (ou qualquer outra vela padrão de luminosidade conhecida) devido à lente gravitacional . Esses efeitos seriam aparentes se os buracos negros primordiais fossem uma contribuição significativa para a densidade da matéria escura, que é limitada pelos conjuntos de dados atuais.
• Anisotropias de temperatura no fundo cósmico de micro-ondas: o acúmulo de matéria em buracos negros primordiais no início do Universo deve levar à injeção de energia no meio que afeta a história de recombinação do Universo. Este efeito induz assinaturas na distribuição estatística das anisotropias cósmicas de fundo em microondas (CMB). As observações de Planck do CMB excluem que os buracos negros primordiais com massas na faixa de 100 - 10 ⁴ massas solares contribuem de forma importante para a matéria escura, pelo menos no modelo conservador mais simples. Ainda é debatido se as restrições são mais fortes ou mais fracas em cenários mais realistas ou complexos.
• Assinaturas de raios gama da aniquilação da matéria escura: Se a matéria escura no Universo está na forma de partículas massivas de interação fraca ou WIMPs, os buracos negros primordiais acumulariam um halo de WIMPs ao seu redor no universo primordial. A aniquilação de WIMPs no halo leva a um sinal no espectro de raios gama que é potencialmente detectável por instrumentos dedicados, como o Telescópio Espacial Fermi de raios gama .

No momento da detecção pelo LIGO das ondas gravitacionais emitidas durante a coalescência final de dois buracos negros de 30 massas solares, a faixa de massa entre 10 e 100 massas solares ainda estava pouco limitada. Desde então, novas observações têm sido reivindicadas para fechar esta janela, pelo menos para modelos em que os buracos negros primordiais têm todos a mesma massa:

• da ausência de raios-X e correlações ópticas em fontes pontuais observadas na direção do centro galáctico.
• do aquecimento dinâmico de galáxias anãs
• da observação de um aglomerado de estrelas central na galáxia anã Eridanus II (mas essas restrições podem ser relaxadas se Eridanus II possuir um buraco negro de massa intermediária central, o que é sugerido por algumas observações). Se os buracos negros primordiais exibem uma ampla distribuição de massa, essas restrições ainda podem ser evitadas.
• da microlente gravitacional de quasares distantes por galáxias mais próximas, permitindo que apenas 20% da matéria galáctica esteja na forma de objetos compactos com massas estelares, um valor consistente com a população estelar esperada.
• de microlentes de estrelas distantes por aglomerados de galáxias, sugerindo que a fração de matéria escura na forma de buracos negros primordiais com massas comparáveis ​​às encontradas pelo LIGO deve ser inferior a 10%.

No futuro, novos limites serão estabelecidos por várias observações:

• O radiotelescópio Square Kilometer Array (SKA) investigará os efeitos dos buracos negros primordiais na história de reionização do Universo, devido à injeção de energia no meio intergaláctico, induzida pelo acréscimo de matéria nos buracos negros primordiais.
• Os detectores de LIGO, VIRGO e de ondas gravitacionais futuras irão detectar novos eventos de fusão de buracos negros, a partir dos quais será possível reconstruir a distribuição de massa dos buracos negros primordiais. Estes detectores podem permitir distinguir inequivocamente entre origens primordiais ou estelares se forem detectados eventos de fusão envolvendo buracos negros com uma massa inferior a 1,4 massa solar. Outra forma seria medir a grande excentricidade orbital dos binários primordiais dos buracos negros.
• Os detectores de ondas gravitacionais, como o Laser Interferometer Space Antenna (LISA) e os arranjos de temporização de pulsar também sondam o fundo estocástico das ondas gravitacionais emitidas por buracos negros binários primordiais, quando eles ainda estão orbitando relativamente longe uns dos outros.
• Novas detecções de galáxias anãs fracas e as observações de seu aglomerado de estrelas centrais poderiam ser usadas para testar a hipótese de que essas estruturas dominadas pela matéria escura contêm buracos negros primordiais em abundância.
• O monitoramento das posições e velocidades das estrelas na Via Láctea poderia ser usado para detectar a influência de um buraco negro primordial próximo.
• Foi sugerido que um pequeno buraco negro passando pela Terra produziria um sinal acústico detectável. Por causa de seu diâmetro minúsculo, grande massa comparada a um nucléon e velocidade relativamente alta, esses buracos negros primordiais simplesmente transitariam pela Terra virtualmente desimpedidos, com apenas alguns impactos sobre os nucléons, saindo do planeta sem efeitos nocivos.
• Outra forma de detectar buracos negros primordiais poderia ser observando as ondulações na superfície das estrelas. Se o buraco negro passasse por uma estrela, sua densidade causaria vibrações observáveis.
• Monitoramento de quasares no comprimento de onda de microondas e detecção do recurso ótico de onda da microlente gravitacional pelos buracos negros primordiais.
• A outra consequência observacional seria a colisão de buracos negros primordiais com a Terra e aprisionamento dentro dela que é estudado por S. Rahvar em 2021. Considerando que toda a matéria escura é feita de buracos negros primordiais com a função de massa permitida na faixa de observação, a probabilidade de este evento é muito menor do que a idade do Universo.

Implicações

Os problemas para os quais os buracos negros primordiais sugeriram como solução incluem o problema da matéria escura , o problema da parede do domínio cosmológico e o problema do monopolo cosmológico . Como os buracos negros primordiais não precisam ser necessariamente pequenos (podem ter qualquer tamanho), eles podem ter contribuído para a formação posterior de galáxias .

Mesmo que eles não resolvam esses problemas, o baixo número de buracos negros primordiais (em 2010, apenas dois buracos negros de massa intermediária foram confirmados) ajuda os cosmologistas ao colocar restrições no espectro de flutuações de densidade no universo primordial.

Teoria das cordas

A relatividade geral prevê que os menores buracos negros primordiais já teriam evaporado, mas se houvesse uma quarta dimensão espacial  - como previsto pela teoria das cordas  - afetaria como a gravidade atua em escalas pequenas e "desaceleraria a evaporação substancialmente". Isso pode significar que existem vários milhares de buracos negros em nossa galáxia. Para testar esta teoria, os cientistas usarão o Telescópio Espacial Fermi de raios gama, que foi colocado em órbita pela NASA em 11 de junho de 2008. Se eles observarem pequenos padrões de interferência específicos em explosões de raios gama , pode ser a primeira evidência indireta de primordial buracos negros e teoria das cordas.

Veja também

• Lista de buracos negros
• Lista dos buracos negros mais próximos

Referências