Pesquisa pode explicar último estágio de aproximação de buracos negros supermassivos. Cientistas consideraram interações de matéria escura.
Partículas teóricas de matéria escura poderiam explicar como os buracos negros supermassivos (SMBHs) no coração das galáxias se fundem. A ideia também poderia dar sentido a algumas características inexplicáveis do comportamento da matéria escura em escalas muito maiores.
Os SMBHs são fundamentais para a compreensão de muitas das características mais importantes do universo, desde a luz de quasares distantes até a forma como os elementos estão dispersos pela galáxia. No entanto, ainda não entendemos alguns dos seus comportamentos mais importantes, por exemplo, como se fundem.
O “problema do parsec final” refere-se ao fato de que os modelos de fusões de galáxias indicam que as fusões dos buracos negros supermassivos em seu núcleo não deveriam ser muito raras. Em vez disso, normalmente deveriam aproximar-se até ficarem separados por alguns anos-luz e cruzarem essa ultima distância de forma muito lenta. O problema recebe esse nome porque um parsec equivale a cerca de 3,6 anos-luz.
Embora vejamos alguns exemplos de SMBHs se orbitando mutuamente, também existem muitos casos de galáxias fundidas com um único SMBH. Além disso, se as pequenas e médias quase nunca se fundem, é difícil explicar como algumas se tornam tão grandes.
Há também evidências, embora ainda não conclusivas, de uma onda gravitacional de fundo produzida por tais fusões que afeta o tempo dos pulsares. De alguma forma, ao que parece, muitos encontram uma maneira de cruzar o parsec final. Um novo artigo propõe que as partículas de matéria escura são fundamentais.
Os SMBHs não se repelem como partículas da mesma carga, então uma maneira de se fundirem é por meio de colisões frontais. Isto, no entanto, é muito raro para explicar a distribuição observada. Mais frequentemente, eles caem numa órbita mútua. A distância diminui lentamente com as ondas gravitacionais levando embora parte da energia.
No entanto, os SMBHs são tão enormes que as suas órbitas transportam quantidades fenomenais de energia. Para que este se disperse rapidamente é necessária a transferência para matéria próxima, processo conhecido como atrito dinâmico. Inicialmente, o atrito dinâmico funciona bem, mas a matéria que recebe a energia transferida sai rapidamente da área, sendo esta a consequência inevitável de um aumento de energia cinética.
Depois que os SMBHs limpam a matéria em sua vizinhança, o atrito dinâmico cessa. Se as ondas gravitacionais se tornarem o único método pelo qual a energia é dispersa, o ritmo de aproximação diminuiria a um ponto em que as fusões levariam mais tempo para ocorrer do que a idade atual do universo.
Portanto, deve haver algum outro processo de dispersão de energia, mas sua natureza permaneceu um mistério. Agora, uma equipe liderada pelo Dr. Gonzalo Alonso-Álvarez, da Universidade de Toronto, acredita ter a solução. Seu artigo foi publicado na Physical Review Letters.
“Mostramos que incluir o efeito anteriormente negligenciado da matéria escura pode ajudar os buracos negros supermassivos a superar este parsec final de separação e coalescer”, disse Alonso-Álvarez em comunicado . “Nossos cálculos explicam como isso pode ocorrer, em contraste com o que se pensava anteriormente”.
Como não sabemos o que é a matéria escura, não podemos ter certeza de como as suas partículas se comportarão, especialmente em circunstâncias tão extremas como esta. Modelos anteriores presumiam que qualquer matéria escura na vizinhança dos SMBHs também seria acelerada, de modo que quando os SMBHs estivessem separados por um parsec ou mais, não haveria mais quantidade suficiente para causar um decaimento orbital muito maior.
No entanto, Alonso-Álvarez e coautores consideraram uma alternativa, que as interações entre as partículas de matéria escura evitam a sua dispersão. “A possibilidade de as partículas de matéria escura interagirem umas com as outras é uma suposição que fizemos, um ingrediente extra que nem todos os modelos de matéria escura contêm”, disse. “Nosso argumento é que apenas modelos com esse ingrediente podem resolver o problema do parsec final.”
Sem encontrar essas partículas e observá-las interagir, a equipe não pode ter certeza de que estão certas, mas existem testes mais práticos que aumentariam a confiança. Em particular, se estiverem certos, a extremidade de baixa frequência das ondas gravitacionais produzidas pelos SMBHs deverá mostrar uma assinatura específica. “Os dados atuais já sugerem esse comportamento, e novos dados poderão confirmá-lo nos próximos anos”, disse o co-autor, Professor James Cline, da Universidade McGill.
Partículas de matéria escura não podem interagir se não existirem. A maioria dos físicos está confiante que sim, mas o nosso fracasso em encontrar estas partículas levou, nos últimos anos, uma minoria que contesta a ideia a tornar-se mais vocal. Se as ondas gravitacionais do SMBH mostrarem o padrão que os autores esperam, quaisquer dúvidas sobre a existência da matéria escura seriam dissipadas, mesmo que ainda não conseguíssemos identificar as próprias partículas.
Tal confirmação também expandiria o pouco que sabemos sobre a matéria escura, com implicações mais amplas. “Nosso trabalho é uma nova maneira de nos ajudar a compreender a natureza das partículas da matéria escura”, disse Alonso-Álvarez.
Tais interações afetariam a forma dos halos de matéria escura em torno das galáxias, aproximando os modelos da forma como as galáxias se agrupam em aglomerados. “Isso foi inesperado”, disse Alonso-Álvarez, “uma vez que as escalas físicas nas quais os processos ocorrem estão separadas por três ou mais ordens de magnitude. Isso é emocionante.”