Buracos Negros Primordiais: Os Vestígios Invisíveis do Universo Jovem

O Universo primordial

No Universo primordial (logo após o Big Bang), a densidade de energia e matéria era enorme. Em alguns lugares, elas podiam "colapsar sobre si mesmas". Essas flutuações locais podiam concentrar ainda mais essa matéria/energia. Quando essa densidade ultrapassava um limiar crítico, a gravidade prevalecia: a região colapsava imediatamente para formar um buraco negro primordial.

Em outras palavras, os buracos negros primordiais (PBH) poderiam ter se formado nas primeiras frações de segundo do Universo, durante flutuações extremas de densidade. Ao contrário dos buracos negros estelares, resultantes do colapso de estrelas massivas, estes têm origem nas condições iniciais do cosmos. Se uma região atingisse uma sobredensidade local tal que seu raio de Schwarzschild \((R_s = 2GM/c^2)\) se tornasse comparável ao seu horizonte causal, um buraco negro se formava imediatamente.

Massas e escalas características dos buracos negros primordiais

As massas possíveis dos buracos negros primordiais cobrem um espectro imenso, desde a escala subatômica \((10^{-5}\,\text{g})\) até várias milhares de massas solares. A massa é determinada pelo instante de formação: um buraco negro formado \(10^{-23}\) segundos após o Big Bang teria uma massa comparável à de uma montanha, enquanto um PBH formado um segundo depois poderia atingir \(10^5 M_{\odot}\).

Buracos negros primordiais: uma nova pista para desvendar os mistérios da matéria escura?

Ainda não sabemos o que é a matéria escura, mas sabemos que ela representa cerca de 85% da matéria do Universo. Os buracos negros primordiais (PBH) são uma hipótese para explicar parte (ou a totalidade) dessa matéria escura, pois seriam muito numerosos, invisíveis (exceto por sua gravidade) e formados muito cedo no cosmos. Eles poderiam ser uma forma de matéria escura, mas apenas dentro de uma faixa de massa muito estreita, já que as observações excluem a maioria dos outros cenários.

Pesquisas modernas (microlentes gravitacionais, radiação gama proveniente da evaporação de Hawking, anisotropias da radiação cósmica de fundo) permitem restringir a faixa de massas dos PBHs que poderiam constituir uma fração significativa da matéria escura. PBHs de baixa massa (\(<10^{15}\,\text{g}\)) já deveriam ter evaporado completamente, enquanto aqueles de massa intermediária são fortemente limitados pela ausência de eventos de lente gravitacional.

Assinaturas indiretas dos buracos negros primordiais

• Microlentes gravitacionais: As microlentes gravitacionais são usadas para detectar se muitos objetos compactos (como PBHs) passam na frente de estrelas, mas como não observamos o suficiente, isso limita a possível contribuição dos PBHs de certas massas para a matéria escura.
• Radiação gama: A radiação gama esperada da evaporação de pequenos PBHs via mecanismo de Hawking não foi detectada, o que exclui que PBHs de baixa massa formem a matéria escura.
• Efeitos na radiação cósmica de fundo (CMB): Anisotropias na CMB: muitos PBHs massivos perturbariam a evolução do Universo primitivo, o que não observamos.

Os PBHs são considerados hipotéticos e pouco consensuais, e sua pesquisa baseia-se em assinaturas indiretas.

Estado atual do conhecimento

Até hoje, os buracos negros primordiais (PBH) permanecem principalmente objetos teóricos. Embora sua existência seja fisicamente e cosmologicamente possível, ainda não há evidência direta, e seu papel na matéria escura é muito debatido. Os modelos preveem diversas massas e abundâncias, mas a comunidade científica não concorda sobre sua importância real.

Restrições observacionais

Fontes: Sasaki et al., 2016; Niikura et al., 2019.