'Zumbido' cósmico pode guardar pistas sobre os primeiros buracos negros

Um sinal muito fraco de ondas gravitacionais pode guardar informações sobre os primeiros bilhões de anos do Universo. Um estudo da Universidade de Colgate sugere que parte desse rastro pode ter origem em buracos negros supermassivos descendentes de estrelas escuras.

Publicado na revista Physical Review D, o trabalho usou modelos de evolução cósmica para acompanhar o destino dessas possíveis sementes. Os pesquisadores Sohan Ghodla e Cosmin Ilie calcularam como suas fusões poderiam contribuir para o fundo gravitacional medido por redes de pulsares.

Como o sinal foi detectado?

As redes de pulsares usam estrelas de nêutrons que giram rapidamente como referências extremamente precisas de tempo. Quando uma onda gravitacional atravessa o espaço, ela provoca pequenas alterações nos intervalos entre os pulsos de rádio emitidos por esses objetos.

Ao acompanhar vários pulsares durante longos períodos, os pesquisadores procuram um padrão coletivo nessas alterações. As observações indicam a presença de um fundo estocástico de ondas gravitacionais em frequências de nanohertz.

A explicação mais aceita para esse sinal envolve pares de buracos negros supermassivos que orbitam um ao outro e se aproximam gradualmente.

Como surgiram os primeiros buracos negros gigantes?

A existência de buracos negros muito massivos quando o Universo ainda era jovem, há mais de 13 bilhões de anos, levanta dúvidas sobre como esses objetos conseguiram crescer tão rapidamente. O estudo analisou uma possibilidade envolvendo as chamadas estrelas escuras, objetos hipotéticos que poderiam ter existido no início da história cósmica.

No cenário avaliado, essas estrelas receberiam grande parte de sua energia do aquecimento associado à matéria escura, em vez de depender principalmente da fusão nuclear.

Sob determinadas condições, elas poderiam crescer até atingir milhões de vezes a massa do Sol antes de colapsar e formar buracos negros massivos.

Como as estrelas escuras entram na história?

Os autores Ghodla e Ilie simularam como esses possíveis buracos negros evoluiriam ao longo da história do Universo. Os pesquisadores acompanharam os halos de matéria escura que poderiam abrigar esses objetos. Também estimaram a frequência das fusões entre eles e calcularam as ondas gravitacionais produzidas nesses eventos.

Os resultados indicaram que, caso os remanescentes de estrelas escuras supermassivas existissem em determinada densidade, seus descendentes poderiam contribuir significativamente para o sinal observado pelas redes de pulsares. Nos modelos analisados, essa contribuição poderia até ser dominante.

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Além disso, a equipe também avaliou um cenário envolvendo buracos negros formados por colapso direto. Nessa hipótese, esses objetos seriam menos numerosos. Por isso, sua contribuição para o fundo de ondas gravitacionais seria substancialmente menor.

As simulações também permitiram estabelecer limites para a quantidade de sementes que poderia ter existido no Universo primordial. Uma população muito numerosa produziria um sinal mais intenso do que aquele permitido pelas observações atuais.

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Um sinal que pode revelar pistas do Universo primordial

O resultado amplia o que as redes de pulsares podem revelar sobre a história do Universo. Embora as ondas gravitacionais detectadas atualmente sejam produzidas por eventos muito posteriores ao nascimento do Universo, o sinal pode preservar informações sobre a origem dos primeiros buracos negros supermassivos.

Assim, as ondas gravitacionais podem funcionar como uma forma indireta de investigar objetos que existiram nos primeiros períodos do Universo.

Os cálculos também indicam que sistemas binários com massas totais superiores a aproximadamente 1 bilhão de vezes a massa do Sol têm papel especialmente importante no sinal analisado.

A hipótese das estrelas escuras, porém, ainda não foi comprovada. O estudo apenas calcula o que aconteceria com o sinal de ondas gravitacionais caso esses objetos tivessem dado origem a algumas das primeiras sementes de buracos negros supermassivos.

Segundo os pesquisadores, medições mais precisas feitas pelas redes de pulsares poderão ajudar a comparar essa possibilidade com outros cenários para a formação desses objetos.