Primordial black holes from a type-IIB/F theory inflaton potential

Nos momentos iniciais do nosso universo, uma fração de segundo após o início, o próprio espaço passou por um período de expansão inimaginável conhecida como inflação cósmica. Esse estiramento rápido suavizou o cosmos e plantou as sementes de tudo o que vemos hoje, desde galáxias até estrelas. No entanto, a teoria da inflação também sugere que, sob condições específicas e raras, o universo poderia ter produzido pequenos aglomerados densos de matéria que colapsaram imediatamente em buracos negros. Estes são chamados de buracos negros primordiais. Diferente dos buracos negros formados por estrelas moribundas, estes teriam nascido da energia bruta do universo primitivo. Por décadas, cientistas se perguntaram se esses objetos existem e se poderiam constituir a "matéria escura" invisível que mantém as galáxias unidas. O desafio tem sido encontrar um mecanismo físico que crie esses buracos negros em quantidade suficiente sem quebrar as regras do nosso entendimento atual da física.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Burdwan, na Índia, deu um novo olhar a este problema ao utilizar um arcabouço específico da teoria das cordas, uma das principais candidatas a uma teoria de tudo. Eles focaram em um cenário matemático chamado "potencial do inflaton", que descreve o campo de energia responsável por impulsionar a expansão inicial do universo. Em seu modelo, eles partiram de uma versão deste campo que explica com sucesso a estrutura suave e de grande escala do universo que observamos hoje. A este modelo estabelecido, eles introduziram uma perturbação localizada muito pequena. Imagine que a inclinação suave de uma colina subitamente apresenta um pequeno e suave calombo. Na linguagem dos pesquisadores, esse calombo foi criado ao deformar levemente uma das formas geométricas fundamentais que definem as dimensões ocultas da teoria das cordas. Essa pequena mudança não foi apenas um ajuste aleatório; foi desenhada para testar como o universo se comporta quando a expansão suave da inflação atinge uma desaceleração temporária e localizada.

Quando o campo que impulsiona a inflação atravessa esse calombo, ele não acelera nem para completamente; em vez disso, ele desacelera significativamente mais do que o normal. Os pesquisadores chamam isso de uma fase de "ultra-desaceleração" (ultra-slow-roll). Durante essa pausa breve, as flutuações quânticas no universo, que normalmente são minúsculas e inofensivas, são amplificadas dramaticamente. Pense nisso como uma pausa momentânea em um rio caudaloso que permite que uma pequena ondulação se transforme em uma onda massiva. Em suas simulações, essa amplificação fez com que a densidade da matéria em certas regiões atingisse um nível muito superior à média. Quando o universo continuou a se expandir e essas regiões densas eventualmente reentraram no horizonte observável, a gravidade dentro delas tornou-se tão forte que colapsaram instantaneamente em buracos negros.

O estudo calculou as propriedades desses hipotéticos buracos negros com grande precisão. Eles descobriram que o processo produziria buracos negros com uma massa aproximadamente equivalente à da Terra ou de Júpiter, um tamanho muito menor do que os buracos negros formados por estrelas. Esses objetos seriam incrivelmente leves em termos astronômicos, mas massivos o suficiente para sobreviver até o presente dia. Os pesquisadores determinaram que esses buracos negros levariam um tempo quase incompreensível para evaporar, muito mais longo do que a idade atual do universo. Isso significa que, se tivessem sido criados nos números sugeridos pelo modelo deles, ainda estariam por aí, potencialmente contribuindo para a matéria escura que permeia o cosmos.

No entanto, a existência desses objetos não é isenta de restrições. A equipe verificou seus resultados contra observações do mundo real, olhando especificamente para dados de levantamentos de microlente gravitacional. Esses levantamentos buscam o brilho temporário de estrelas distantes causado pela gravidade de objetos que passam. Os pesquisadores descobriram que, para o modelo deles ser consistente com o que vemos no céu, a densidade das flutuações primordiais deve permanecer abaixo de um limite específico. Se as flutuações fossem mais fortes, a abundância resultante de buracos negros seria alta demais, contradizendo a falta de eventos de microlente observados. Seus cálculos sugerem que, embora esses buracos negros possam existir, eles constituiriam apenas uma pequena fração da matéria escura total, cerca de 0,12 por cento, em vez de serem a única explicação para ela.

Além dos próprios buracos negros, o estudo aponta para uma maneira potencial de testar essas ideias no futuro. O processo violento de criação desses buracos negros também geraria ondulações no espaço-tempo conhecidas como ondas gravitacionais. Os pesquisadores observaram que a frequência específica dessas ondas cai dentro da faixa de sensibilidade do Square Kilometer Array, um enorme projeto de radiotelescópio atualmente em desenvolvimento. Isso sugere que observações futuras poderiam detectar essas ondas, fornecendo evidências fortes da existência desses buracos negros primordiais, ou descartar esse mecanismo específico inteiramente. O trabalho oferece um caminho concreto a seguir, movendo a busca por esses objetos elusivos do campo da pura teoria para o domínio da ciência observável.