Em um novo estudo, físicos do MIT propõem que se a maior parte da matéria escura no universo for composta de buracos negros primordiais microscópicos — uma ideia proposta pela primeira vez na década de 1970 — então esses anões gravitacionais deveriam passar rapidamente pelo nosso sistema solar pelo menos uma vez por década. Um sobrevoo como esse, preveem os pesquisadores, introduziria uma oscilação na órbita de Marte, a um grau que a tecnologia de hoje poderia realmente detectar.

Tal detecção poderia dar suporte à ideia de que os buracos negros primordiais são uma fonte primária de matéria escura em todo o universo.

“Dadas décadas de telemetria de precisão, os cientistas sabem a distância entre a Terra e Marte com uma precisão de cerca de 10 centímetros”, diz o autor do estudo David Kaiser, professor de física e Professor Germeshausen de História da Ciência no MIT. “Estamos aproveitando essa região altamente instrumentada do espaço para tentar procurar um pequeno efeito. Se o virmos, isso contará como um motivo real para continuar perseguindo essa ideia deliciosa de que toda a matéria escura consiste em buracos negros que foram gerados em menos de um segundo após o Big Bang e têm circulado pelo universo por 14 bilhões de anos.”

Kaiser e seus colegas relatam suas descobertas hoje no periódico Physical Review D. Os coautores do estudo são o autor principal Tung Tran '24, que agora é um estudante de pós-graduação na Universidade Stanford; Sarah Geller '12, SM '17, PhD '23, que agora é uma pós-doutoranda na Universidade da Califórnia em Santa Cruz; e o bolsista do MIT Pappalardo Benjamin Lehmann.

Menos de 20 por cento de toda a matéria física é feita de coisas visíveis, de estrelas e planetas, até a pia da cozinha. O resto é composto de matéria escura, uma forma hipotética de matéria que é invisível em todo o espectro eletromagnético, mas acredita-se que permeia o universo e exerce uma força gravitacional grande o suficiente para afetar o movimento de estrelas e galáxias.

Físicos ergueram detectores na Terra para tentar localizar a matéria escura e fixar suas propriedades. Na maioria das vezes, esses experimentos assumem que a matéria escura existe como uma forma de partícula exótica que pode se espalhar e decair em partículas observáveis à medida que passa por um determinado experimento. Mas até agora, essas buscas baseadas em partículas não deram em nada.

Nos últimos anos, outra possibilidade, introduzida pela primeira vez na década de 1970, ganhou força novamente: em vez de assumir uma forma de partícula, a matéria escura poderia existir como buracos negros microscópicos e primordiais que se formaram nos primeiros momentos após o Big Bang. Ao contrário dos buracos negros astrofísicos que se formam a partir do colapso de estrelas antigas, os buracos negros primordiais teriam se formado a partir do colapso de bolsas densas de gás no universo primitivo e teriam se espalhado pelo cosmos conforme o universo se expandia e esfriava.

Esses buracos negros primordiais teriam colapsado uma quantidade enorme de massa em um espaço minúsculo. A maioria desses buracos negros primordiais poderia ser tão pequena quanto um único átomo e tão pesada quanto os maiores asteroides. Seria concebível, então, que esses gigantes minúsculos pudessem exercer uma força gravitacional que pudesse explicar pelo menos uma parte da matéria escura. Para a equipe do MIT, essa possibilidade levantou uma questão inicialmente frívola.

“Acho que alguém me perguntou o que aconteceria se um buraco negro primordial passasse por um corpo humano”, lembra Tung, que fez um cálculo rápido com lápis e papel para descobrir que se um buraco negro assim passasse a 1 metro de uma pessoa, a força do buraco negro empurraria a pessoa a 6 metros, ou cerca de 20 pés de distância em um único segundo. Tung também descobriu que as chances eram astronomicamente improváveis de que um buraco negro primordial passasse perto de uma pessoa na Terra.

Com o interesse despertado, os pesquisadores levaram os cálculos de Tung um passo adiante, para estimar como a passagem de um buraco negro poderia afetar corpos muito maiores, como a Terra e a Lua.

“Nós extrapolamos para ver o que aconteceria se um buraco negro passasse pela Terra e fizesse a lua oscilar um pouco”, diz Tung. “Os números que obtivemos não eram muito claros. Existem muitas outras dinâmicas no sistema solar que poderiam atuar como algum tipo de atrito para fazer a oscilação diminuir.”

Para obter uma imagem mais clara, a equipe gerou uma simulação relativamente simples do sistema solar que incorpora as órbitas e interações gravitacionais entre todos os planetas e algumas das maiores luas.

“Simulações de última geração do sistema solar incluem mais de um milhão de objetos, cada um dos quais tem um pequeno efeito residual”, observa Lehmann. “Mas mesmo modelando duas dúzias de objetos em uma simulação cuidadosa, pudemos ver que havia um efeito real no qual poderíamos nos aprofundar.”

A equipe calculou a taxa na qual um buraco negro primordial deveria passar pelo sistema solar, com base na quantidade de matéria escura que se estima residir em uma determinada região do espaço e na massa de um buraco negro que passa, que neste caso, eles presumiram ser tão massiva quanto os maiores asteroides do sistema solar, o que é consistente com outras restrições astrofísicas.

Dada essa taxa, os pesquisadores simularam vários buracos negros com massa de asteroide voando pelo sistema solar, de vários ângulos, e a velocidades de cerca de 150 milhas por segundo. (As direções e velocidades vêm de outros estudos da distribuição da matéria escura por toda a nossa galáxia.) Eles se concentraram naqueles sobrevoos que pareciam ser "encontros próximos", ou instâncias que causaram algum tipo de efeito em objetos ao redor. Eles rapidamente descobriram que qualquer efeito na Terra ou na Lua era muito incerto para ser atribuído a um buraco negro em particular. Mas Marte parecia oferecer uma imagem mais clara.

Os pesquisadores descobriram que se um buraco negro primordial passasse a algumas centenas de milhões de milhas de Marte, o encontro desencadearia uma "oscilação", ou um ligeiro desvio na órbita de Marte. Dentro de alguns anos de tal encontro, a órbita de Marte deve mudar em cerca de um metro — uma oscilação incrivelmente pequena, dado que o planeta está a mais de 140 milhões de milhas da Terra. E ainda assim, essa oscilação poderia ser detectada pelos vários instrumentos de alta precisão que estão monitorando Marte hoje.

Se tal oscilação fosse detectada nas próximas décadas, os pesquisadores reconhecem que ainda haveria muito trabalho necessário para confirmar que o impulso veio de um buraco negro passageiro e não de um asteroide comum.

“Precisamos de tanta clareza quanto possível dos fundos esperados, como as velocidades e distribuições típicas de rochas espaciais chatas, versus esses buracos negros primordiais”, observa Kaiser. “Felizmente para nós, os astrônomos têm rastreado rochas espaciais comuns por décadas enquanto elas voam pelo nosso sistema solar, então pudemos calcular propriedades típicas de suas trajetórias e começar a compará-las com os tipos muito diferentes de caminhos e velocidades que os buracos negros primordiais devem seguir.”

Para ajudar nisso, os pesquisadores estão explorando a possibilidade de uma nova colaboração com um grupo que tem ampla experiência em simular muito mais objetos no sistema solar.

“Estamos trabalhando agora para simular um grande número de objetos, de planetas a luas e rochas, e como todos eles estão se movendo em longas escalas de tempo”, diz Geller. “Queremos injetar cenários de encontro próximo e observar seus efeitos com maior precisão.”

“É um teste muito bacana que eles propuseram, e ele poderia nos dizer se o buraco negro mais próximo está mais perto do que imaginamos”, diz Matt Caplan, professor associado de física na Universidade Estadual de Illinois, que não estava envolvido no estudo. “Devo enfatizar que há um pouco de sorte envolvida também. Se uma busca encontra ou não um sinal alto e claro depende do caminho exato que um buraco negro errante toma pelo sistema solar. Agora que eles verificaram essa ideia com simulações, eles têm que fazer a parte difícil — verificar os dados reais.”

Este trabalho foi apoiado em parte pelo Departamento de Energia dos EUA e pela Fundação Nacional de Ciências dos EUA, que inclui uma bolsa de pós-doutorado em Ciências Matemáticas e Físicas da NSF.