Pode acontecer que a substância ilusória não consista em novas partículas
Quando o palestrante do projeto
aLIGO (Advanced Laser Interferometric Gravitational Wave Observer) anunciou a detecção de ondas gravitacionais em 11 de fevereiro de 2016, fiquei impressionado. Obviamente, esperávamos que o aLIGO nos desse algo interessante em algum momento, mas estávamos pensando em resultados preliminares. Pensamos que o projeto, após cálculos complicados e difíceis por vários meses, nos daria uma espécie de sinal fraco, um pouco acima do barulho.
Mas não, os gráficos mostrados naquele fatídico dia de fevereiro eram tão claros e inequívocos que não precisaram provar nada. Com meus próprios olhos, pude ver uma forma de onda que não podia ser confundida com nada - essa é uma fusão de dois buracos negros, como resultado das quais ondas gravitacionais disparam no espaço-tempo circundante.
E isso não foi tudo. Os buracos negros vistos pelo aLIGO não deveriam ter existido. Sabemos da existência de buracos negros com massa de um milhão ou trilhão de vezes a massa do Sol, e vimos pequenos buracos negros com massa comparável à do sol. Mas a massa de buracos negros vistos pelo aLIGO era 30-60 vezes maior que o sol. Alguns de meus colegas argumentam que os buracos negros de tamanho médio descobertos pelo aLIGO podem se tornar a mesma matéria escura que nos oculta há quase 50 anos.
Essa não é a primeira vez que os cientistas sugerem que os buracos negros podem ser matéria escura, mas pensamos que essa possibilidade foi claramente rejeitada. A ressurreição dessa idéia é outro exemplo da rica atividade criativa que surge após uma nova descoberta. As idéias que ficaram fora de moda podem retornar a ela, se você as olhar sob uma nova luz e com entusiasmo - e até substituir os pontos de vista aceitos. A revisão das descobertas também reúne áreas de pesquisa aparentemente incomparáveis - no nosso caso, é matéria escura e ondas gravitacionais - e leva a conexões frutíferas.
Na década de 1970, Stephen Hawking e seu aluno graduado Bernard Carr sugeriram que um mar de minúsculos
buracos negros primários poderia emergir do caos que surgiu após o Big Bang. Com o tempo, eles poderiam crescer e se tornar a base para a formação de galáxias. Eles poderiam até contribuir para o orçamento geral de energia do universo. Buracos negros são pesados e difíceis de ver - precisamos dessas propriedades para explicar a matéria ausente do Universo.
Por várias décadas, apoiadores leais dessa idéia a desenvolveram. Nos anos 90, ela parecia ter sobrevivido a um golpe fatal. No experimento
MACHO , os cientistas enviaram um telescópio para a Grande Nuvem de Magalhães em busca de uma luz tremeluzente, o que significaria que um buraco negro passava na frente da estrela. Eles descobriram que seria muito difícil conseguir buracos negros suficientes para anular toda a matéria escura do universo para eles.
Mais tarde, Timothy Brandt, do Instituto de Estudos Avançados de Princeton, estudou o efeito de buracos negros em aglomerações densas de estrelas, conhecidas como aglomerados globulares que vivem em galáxias anãs escondidas no vazio ao redor da Via Láctea. Ele mostrou que, no caso de um excesso de buracos negros, esses aglomerados esquentam, incham e morrem rapidamente. Substituindo valores específicos por um aglomerado em particular na galáxia anã Eridanus II, ele foi capaz de mostrar que apenas uma pequena parte da matéria escura pode existir na forma de buracos negros. Nesse sentido, a idéia de buracos negros agindo como matéria escura se transformou em outra idéia exótica, com a qual os teóricos gostam de brincar, mas sem um apoio real da natureza.
E a busca por matéria escura concentrou-se em partículas maciças que interagem fracamente, o
WIMP . São partículas fundamentais, relíquias desde os primórdios, quando as interações fundamentais na natureza foram combinadas e se comportaram completamente diferentes do que são agora. Para muitos de meus colegas, a descoberta do WIMP é inevitável; eles devem existir. Assim que construirmos uma ferramenta suficientemente grande e poderosa, então, de acordo com a maioria dos cosmólogos, inevitavelmente veremos essas partículas estranhas.
Isso simplesmente não está acontecendo. Com o tempo, nossos detectores se tornaram mais poderosos e maiores, mas não encontraram nada. Em um recente experimento
LUX procurando partículas raras que deixam sua energia em meia tonelada de xenônio líquido enterrado um quilômetro no subsolo de Lead, em Dakota do Sul, eles não conseguiram mostrar evidências de partículas nunca vistas antes. Richard Gateskel, da Brown University, um dos fundadores da LUX, disse: “Seria maravilhoso se a sensibilidade aprimorada nos permitisse ver um sinal claro de matéria escura. No entanto, o que estamos observando corresponde apenas ao plano de fundo. ”
Dada a posição desesperada do WIMP, faz sentido pegar algumas idéias antigas, especulativas e descartadas. Em dois trabalhos recentes, um dos quais foi dirigido por Simeon Bird, da Universidade. John Hopkins e o outro, Misao Sasaki, da Universidade Yukawa, em Tóquio, fizeram exatamente isso.
Alimentados pela descoberta do aLIGO, eles resolveram a questão de saber se buracos negros pesando várias dezenas de células solares poderiam ser matéria escura. Deveria haver 10 bilhões de buracos desse tipo na Via Láctea, e o mais próximo deles pode estar a alguns anos-luz do nosso sistema solar. Alguns deles tiveram que formar sistemas binários, e alguns desses sistemas puderam ser detectados pelo aLIGO. As duas equipes concordam que o aLIGO deve detectar de várias unidades a várias dezenas de eventos por ano e deve prevalecer sobre outros buracos negros que aparecem de uma maneira como o colapso de estrelas. Em outras palavras, se esses buracos negros são matéria escura galáctica, você pode esperar que o aLIGO os veja. E ele os viu.
O diabo nos detalhes. Como os buracos negros pré-históricos deveriam aparecer ainda é uma questão em aberto. Uma idéia é que eles surgiram em um breve período de expansão acelerada do Universo primitivo, durante a inflação. Os choques e vibrações daquele período deveriam concentrar energia em bolas densas, o que daria origem à formação de buracos negros. Para que possamos detectá-los, esses buracos devem se aproximar o suficiente para fundir e emitir ondas gravitacionais. Como e quando isso acontece depende da forma da Via Láctea, da densidade da massa e da velocidade dos buracos negros. Pressupostos razoáveis dão uma resposta promissora, mas ainda são especulações.
Estes são apenas os primeiros passos no campo após a euforia da descoberta do aLIGO, e tudo pode acontecer. As limitações do experimento MACHO e a física dos aglomerados globulares trabalham contra essa idéia, mas alguma idéia brilhante pode resolver todos os problemas associados às observações.
A abertura do aLIGO me lembra mais uma transformação que observei em minha carreira. Em 1991, o
satélite COBE mediu primeiro as ondas CMB que restavam do Big Bang. A busca decepcionante e quase quixotesca por essa radiação durou mais de 25 anos e quase se mudou para as áreas provinciais da cosmologia. A própria cosmologia parecia um assunto esotérico e difícil de descrever a ciência, um tópico vago, embora muito interessante e criativo. Mas quando a radiação foi finalmente encontrada, isso criou uma avalanche de idéias não apenas para a astronomia, mas também para a física de partículas.
Durante décadas, tentamos conectar as leis fundamentais da natureza que governavam o Universo primitivo com a forma como as galáxias apareciam para evoluir e formar as estruturas de grande escala visíveis hoje. A descoberta do COBE me colocou no caminho que tenho seguido até hoje, e posso imaginar como o aLIGO fará o mesmo com uma nova geração de físicos em busca de matéria escura.