Ondulações estranhas no espaço podem revelar matéria escura perto de buracos negros em fusão

Misteriosas ondulações no espaço, conhecidas como ondas gravitacionais, podem estar revelando pistas sobre a matéria escura, especialmente ao redor de buracos negros em fusão. Um evento de 2019, identificado como GW190728, pode conter indícios dessas ondas gravitacionais associadas à matéria escura.

A matéria escura, que se acredita compor a maior parte do universo, nunca foi observada diretamente. No entanto, as distorções no espaço-tempo, produzidas por buracos negros colidindo, oferecem um novo caminho de investigação para os físicos.

Uma equipe de pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), em colaboração com instituições europeias, desenvolveu um método para buscar vestígios de matéria escura em ondas gravitacionais. Este método foi testado usando dados disponíveis publicamente da rede LIGO-Virgo-KAGRA.

No evento GW190728, detectado em 28 de julho de 2019, os dados sugerem que a fusão ocorreu dentro de uma nuvem densa de matéria escura, em vez de no vácuo. Essa descoberta não é uma detecção direta de matéria escura, mas sim uma nova pista intrigante.

Josu Aurrekoetxea, pesquisador do Departamento de Física do MIT, comentou que os buracos negros podem proporcionar um mecanismo para aumentar a densidade da matéria escura, tornando seus efeitos observáveis. Ele destacou que, sem modelos de ondas gravitacionais como o desenvolvido por sua equipe, poderíamos estar detectando fusões de buracos negros em ambientes de matéria escura, mas classificando-as erroneamente como ocorridas no vácuo.

Os resultados foram publicados na revista Physical Review Letters, e Aurrekoetxea trabalhou com Soumen Roy da Université Catholique de Louvain, Rodrigo Vicente da Universidade de Amsterdã, Katy Clough da Queen Mary University of London e Pedro Ferreira da Universidade de Oxford. A pesquisa foca em partículas escalares extremamente leves, uma classe proposta de candidatos a matéria escura.

Essas partículas, em ambientes próximos a buracos negros, podem se comportar mais como ondas coordenadas do que como partículas isoladas. Um buraco negro em rápida rotação poderia transferir parte de sua energia para a matéria escura circundante, amplificando-a em uma nuvem muito densa.

Os pesquisadores observaram que essas nuvens poderiam alcançar densidades superiores a 10^9 gramas por centímetro cúbico ao redor de buracos negros de massa estelar. Isso é muito além da matéria escura difusa que se espalha pelas galáxias.

Se dois buracos negros perdem ou ganham momento angular através de interações com uma nuvem escalar durante sua espiral, a onda gravitacional emitida deve se desviar ligeiramente do padrão esperado no vácuo. Essa distorção sutil pode servir como uma impressão digital do ambiente circundante.

Para testar essa ideia, a equipe construiu um modelo de onda semianalítico que prevê como um sinal de fusão deve parecer se o binário estiver se movendo através de um campo escalar. Este modelo foi então verificado contra simulações mais detalhadas de relatividade numérica.

Embora o modelo faça suposições fortes e seja newtoniano em um regime onde a espiral tardia se torna altamente relativista, ele ainda oferece uma nova via para futuras buscas. Soumen Roy, que liderou a análise dos dados, afirmou que a abordagem abre uma nova rota para buscas futuras à medida que os detectores melhoram e o catálogo de eventos cresce.

A pesquisa também sugere que, se o método for validado, observatórios de ondas gravitacionais poderiam se tornar experimentos de matéria escura, além de detectores de buracos negros. Isso ampliaria o papel de instrumentos como LIGO, Virgo e KAGRA, especialmente com a chegada de sinais mais fortes em futuras observações.

Mesmo que o caso GW190728 se revele um alarme falso, o estudo fornece uma estrutura para buscar eventos futuros com o mesmo tipo de impressão. As descobertas estão disponíveis online na revista Physical Review Letters, conforme relatado pelo The Brighter Side of News.