Ondas gravitacionais do LIGO-Virgo-KAGRA sugerem matéria escura em GW190728

Durante uma década, físicos vêm registrando as ondulações produzidas quando buracos negros colidem. Em praticamente todos os casos, partiu-se do mesmo cenário: dois buracos negros espiralando um em direção ao outro através do vazio. Como os cálculos batiam com os dados, essa premissa quase nunca foi colocada à prova com rigor.

Um grupo decidiu, enfim, testar essa base. Eles criaram uma ferramenta capaz de verificar se cada fusão ocorreu dentro de uma “nuvem” invisível e aplicaram o método aos 28 sinais mais nítidos já medidos. Um deles se comportou de modo diferente - e pode carregar um indício de matéria escura.

Uma ondulação estranha aparece

O estudo é liderado por Josu C. Aurrekoetxea, pós-doutorando no Massachusetts Institute of Technology (MIT), em colaboração com pesquisadores de vários países europeus.

A ideia central foi simples: checar se alguma das ondas gravitacionais já registradas parece ter atravessado algo além do espaço vazio.

Os dados analisados vieram da LIGO-Virgo-KAGRA, a rede internacional de detectores de ondas gravitacionais distribuída pelos Estados Unidos, Itália e Japão, e foram coletados nas três primeiras campanhas de observação do consórcio.

No conjunto, esses eventos compõem os sinais mais limpos de fusões de buracos negros já capturados pela rede.

O caso que fugiu ao padrão recebeu o rótulo GW190728. Registrado em 28 de julho de 2019, ele exibiu um desenho que se ajusta melhor a uma fusão ocorrendo dentro de uma nuvem densa de material invisível do que ao quadro clássico de dois buracos negros se encontrando no vácuo.

A maioria invisível

“Matéria escura” é o nome provisório dado a algo que precisa existir, embora não possa ser observado diretamente. Galáxias giram rápido demais para que apenas a matéria visível consiga mantê-las coesas. Além disso, a luz das estrelas se desvia ao passar por perto como se uma massa extra estivesse puxando.

As estimativas atuais apontam que ela responde por mais de 85% de toda a matéria do Universo. Mesmo assim, ninguém conseguiu capturar uma partícula desse componente em detectores: ela não interage com a luz nem com campos magnéticos do jeito que a matéria comum interage.

Na prática, a gravidade é o único “controle” disponível para investigar a matéria escura. Por isso, físicos propõem continuamente novas estratégias de busca, inclusive medições baseadas na forma como a luz se curva ao redor de galáxias - tema recorrente em revisões abrangentes da área.

Construindo um novo modelo

A equipe concentrou a análise em um candidato bastante discutido: uma partícula hipotética tão leve que, em vez de se comportar como uma bolinha, agiria mais como uma onda coletiva. Em densidades suficientemente altas, esse campo poderia se movimentar ao redor de um buraco negro como se fosse um fluido contínuo.

Simulações anteriores já indicavam que uma nuvem densa desse tipo alteraria o modo como dois buracos negros espiralam até a fusão, deixando uma “impressão digital” na onda gravitacional emitida. O que faltava era um modelo rápido o bastante para confrontar essa previsão com dados reais dos detectores.

É exatamente esse ponto que o novo artigo entrega. Os autores desenvolveram um modelo mais ágil para a forma de onda, validaram-no contra simulações completas e o aplicaram ao catálogo para perguntar, evento a evento, se a fusão ocorreu no vácuo ou dentro de uma nuvem de matéria escura.

Acelerando a matéria escura

Buracos negros são especialmente úteis nesse contexto por causa da superradiância. Um buraco negro em rotação guarda um enorme “estoque” de energia rotacional, e uma nuvem de partículas ultraleves pode drená-la. Em teoria, conforme o buraco negro perde rotação, a nuvem ao redor pode ficar cada vez mais densa.

Até este trabalho, procurar assinaturas de nuvens de superradiância em dados reais de ondas gravitacionais era, em grande parte, uma proposta no plano teórico.

Um estudo anterior sobre como essas nuvens de partículas ultraleves evoluem ao redor de buracos negros girantes ajudou a estabelecer as bases, mas não chegou a realizar um teste direto com medições de detectores.

A nova análise preenche essa lacuna. Ao rodar o modelo no catálogo e permitir que os próprios dados escolhessem entre vácuo e “ambiente”, o grupo entregou a primeira comparação direta, evento a evento, entre as duas possibilidades.

Testando no LIGO

Em 27 dos 28 eventos, o resultado foi o esperado: fusões no vácuo explicavam os sinais tão bem quanto qualquer alternativa, e o limite superior de densidade de matéria escura ao redor desses pares passa a ser um número concreto, já publicado.

Em dois casos - GW190728 e outro identificado como GW190814 - o cenário de vácuo puro não conseguia reproduzir completamente o que os detectores mediram. Em termos simples, os dados não ficaram confortáveis com a hipótese de que não havia nada ao redor.

Com o GW190728, a diferença foi além. Ao incluir no cálculo como nuvens de matéria escura se acumulam em torno de buracos negros em rotação, os dados favoreceram a explicação com matéria escura em vez de espaço vazio por uma razão de cerca de 30 para 1.

São probabilidades fortes para a vida cotidiana. Em física, porém, uma descoberta exige chances de milhões para um.

Um ponto fora da curva em 2019

No papel, o GW190728 parece comum. A massa total dos dois buracos negros era de aproximadamente 20 vezes a do Sol, o que é baixo para os padrões das fusões já detectadas. Sistemas menos massivos passam mais tempo dentro da faixa sensível dos instrumentos, deixando visível uma parcela maior da aproximação antes do encontro final.

Se a interpretação do grupo estiver correta, a partícula implicada teria massa próxima de um trilionésimo de elétron-volt - uma unidade padrão para expressar o “peso” de partículas subatômicas.

Isso colocaria o valor muito abaixo do que aceleradores de partículas conseguem alcançar e fora do que detectores subterrâneos já conseguiram mapear.

Aurrekoetxea faz questão de manter os pés no chão: segundo ele, a evidência ainda não é forte o suficiente para anunciar uma descoberta, e equipes independentes deveriam repetir as verificações antes de qualquer passo adicional. É um indício, não um veredito.

Para onde isso aponta

Até aqui, cada evento desse catálogo era tratado, por padrão, como uma fusão limpa no vácuo. O novo modelo muda o jogo ao permitir que analistas identifiquem quando um sinal se parece com algo ocorrido em um “lugar lotado”.

O trabalho abre dois caminhos. Para astrônomos, surge uma maneira de testar onde poderiam estar bolsões densos de matéria escura, marcados por pares de buracos negros que passam por essas regiões. Para físicos de partículas, aparece uma faixa de massa candidata para orientar novas buscas.

Enquanto isso, os detectores continuam operando. As próximas rodadas de observação devem aproximadamente dobrar o tamanho do catálogo.

Se realmente existir uma população de fusões acontecendo em ambientes dominados por matéria escura, ela tende a aparecer como mais pontos fora da curva - e alguns poucos eventos com a mesma assinatura seriam bem mais difíceis de descartar.

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