Pesquisando dados existentes que abrangem 9 mil milhões de anos, uma equipa de investigadores liderada por cientistas da Universidade do Hawaii em Manoa descobriu a primeira evidência de "acoplamento cosmológico" - um fenómeno recentemente previsto na teoria da gravidade de Einstein, possível apenas quando são colocados buracos negros dentro de um Universo em evolução.

Os astrofísicos Duncan Farrah, do Instituto para Astronomia e do Departamento de Física e Astronomia, e Kevin Croker, professor de física e astronomia, lideraram este ambicioso estudo, combinando a perícia em evolução galáctica e a teoria da gravidade com a experiência de observação e análise de investigadores de nove países para fornecer as primeiras informações sobre o que poderá existir dentro de buracos negros reais.

"Quando o LIGO ouviu o primeiro par de buracos negros a fundir-se no final de 2015, tudo mudou", disse Croker. "O sinal estava em excelente concordância com as previsões no papel, mas e ao alargar essas previsões a milhões, ou milhares de milhões de anos? Correspondendo esse modelo de buracos negros ao nosso Universo em expansão? Não era de todo claro como fazer isso".

A equipa publicou recentemente dois artigos científicos, um na revista The Astrophysical Journal e o outro na The Astrophysical Journal Letters, onde estudaram os buracos negros supermassivos nos corações de galáxias antigas e inativas.

O primeiro artigo científico descobriu que estes buracos negros ganham massa ao longo de milhares de milhões de anos de uma forma que não pode ser facilmente explicada pelos processos normais da galáxia e dos buracos negros, tais como fusões ou acreção de gás.

O segundo artigo explica que o crescimento em massa destes buracos negros corresponde às previsões para os buracos negros que não só se acoplam cosmologicamente, mas também incluem energia de vácuo - material que resulta do aperto de matéria tanto quanto possível sem quebrar as equações de Einstein, evitando assim uma singularidade.

Com a ausência de singularidades, o artigo mostra então que a energia de vácuo combinada dos buracos negros produzidos nas mortes das primeiras estrelas do Universo está em acordo com a quantidade medida de energia escura no nosso Universo.

"Estamos realmente a dizer duas coisas ao mesmo tempo: que há evidências de que as soluções típicas dos buracos negros não funcionam a longo, longo prazo, e que temos a primeira fonte astrofísica proposta para a energia escura", disse Farrah, autor principal de ambos os artigos científicos.

"O que isso significa, porém, não é que outras pessoas não tenham proposto fontes para a energia escura, mas este é o primeiro artigo observacional onde não estamos a acrescentar nada de novo ao Universo como fonte da energia escura: os buracos negros na teoria da gravidade de Einstein são a energia escura".

Estas novas medições, se apoiada por mais evidências, vão redefinir a nossa compreensão do que é um buraco negro.

Há nove mil milhões de anos

No primeiro estudo, a equipa determinou como utilizar as medições existentes de buracos negros para procurar um acoplamento cosmológico.

"O meu interesse neste projeto nasceu realmente de um interesse geral em tentar determinar evidências observacionais que suportem um modelo para buracos negros que funcione independentemente do tempo que se olhe para eles", disse Farrah. "É uma coisa muito, muito difícil de fazer no geral, porque os buracos negros são incrivelmente pequenos, são incrivelmente difíceis de observar diretamente e estão a enormes distâncias".

Os buracos negros são também difíceis de observar durante longos períodos de tempo. As observações podem ser feitas durante alguns segundos, ou dezenas de anos no máximo - tempo insuficiente para detetar como um buraco negro pode mudar ao longo da duração do Universo. Ver como os buracos negros mudam durante uma escala de milhares de milhões de anos é uma tarefa complicada.

"Teríamos que identificar uma população de buracos negros e identificar a sua distribuição de massa há milhares de milhões de anos. Então teríamos de ver a mesma população, ou uma população ancestralmente ligada, nos dias de hoje e novamente ser capaz de medir a sua massa", disse o coautor Gregory Tarlé, físico da Universidade de Michigan. "Isto é uma coisa realmente difícil de fazer".

Dado que as galáxias podem ter uma esperança de vida de milhares de milhões de anos, e a maioria das galáxias contém um buraco negro supermassivo, a equipa percebeu que as galáxias detinham a chave, mas que era essencial escolher os tipos certos de galáxias.

"Havia muitos comportamentos diferentes para os buracos negros em galáxias medidos na literatura e não havia realmente nenhum consenso", disse a coautora Sara Petty, especialista em galáxias na NWRA (NorthWest Research Associates). "Decidimos que, ao concentrarmo-nos apenas nos buracos negros em galáxias elípticas em evolução passiva, podíamos ajudar a resolver esta questão".

As galáxias elípticas são enormes e formaram-se cedo. São fósseis da "montagem" galáctica. Os astrónomos pensam que são o resultado final de colisões de galáxias, enormes em tamanho e com biliões de estrelas antigas.

Ao olhar apenas para galáxias elípticas sem atividade recente, a equipa pôde argumentar que quaisquer alterações nas massas dos seus buracos negros não poderiam ser facilmente causadas por outros processos conhecidos. Utilizando estas populações, a equipa examinou então como a massa dos seus buracos negros centrais mudou ao longo dos últimos 9 mil milhões de anos.

Se o crescimento em massa dos buracos negros ocorresse através da acreção ou fusão, então não se esperaria que as massas destes buracos negros mudassem muito. No entanto, se os buracos negros ganharem massa através do acoplamento ao Universo em expansão, então estas galáxias elípticas em evolução passiva poderiam revelar este fenómeno.

Os investigadores descobriram que quanto mais para trás no tempo olhavam, mais pequenos eram os buracos negros em massa, em relação às suas massas atuais. Estas mudanças foram grandes: os buracos negros eram hoje 7 a 20 vezes mais massivos do que eram há 9 mil milhões de anos - suficientemente grandes para que os investigadores suspeitassem que o acoplamento cosmológico pudesse ser o culpado.

Desvendando os buracos negros

No segundo estudo, a equipa investigou se o crescimento dos buracos negros medidos no primeiro estudo podia ser explicado apenas pelo acoplamento cosmológico.

"Aqui fica uma analogia. Podemos pensar num buraco negro acoplado como um elástico, sendo esticado juntamente com o Universo à medida este se expande", disse Croker. "À medida que é esticado, a sua energia aumenta. A equação E = mc^2 de Einstein diz-nos que a massa e a energia são proporcionais, pelo que a massa do buraco negro também aumenta".

Quanto essa massa aumenta depende da força de acoplamento, uma variável que os investigadores chamam k.

"Quanto mais forte for o elástico, mais difícil é de esticar, portanto, mais energia tem quando esticado. Resumidamente, isso é k", disse Croker.

Uma vez que o crescimento em massa dos buracos negros, devido ao acoplamento cosmológico, depende do tamanho do Universo, e o Universo era mais pequeno no passado, os buracos negros no primeiro estudo têm que ser menos massivos, no valor correto, para que a explicação do acoplamento cosmológico funcione.

A equipa examinou cinco populações diferentes de buracos negros em três coleções diferentes de galáxias elípticas, retiradas de quando o Universo tinha aproximadamente metade e um-terço do seu tamanho atual. Em cada comparação, esse k era quase 3.

A primeira ligação observacional

Em 2019, este valor foi previsto para buracos negros que contêm energia de vácuo, em vez de uma singularidade, por Croker, então estudante, e por Joel Weiner, professor de matemática da Universidade do Hawaii em Manoa.

A conclusão é profunda: Croker e Weiner já tinham mostrado que se k é 3, então todos os buracos negros no Universo contribuem coletivamente com uma densidade de energia escura quase constante, tal como as medições de energia escura sugerem.

Os buracos negros provêm de grandes estrelas mortas, por isso se soubermos quantas estrelas grandes são produzidas, podemos estimar quantos buracos negros são também produzidos e quanto crescem como resultado do acoplamento cosmológico. A equipa utilizou as medições mais recentes do ritmo de formação estelar primitiva fornecidas pelo Telescópio Espacial James Webb e descobriu que os números alinham.

De acordo com os investigadores, os seus estudos fornecem um quadro para os físicos teóricos e para os astrónomos continuarem a testar - e para a atual geração de experiências de energia escura como o DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) e o DES (Dark Energy Survey) - a fim de lançar luz sobre a ideia.

"Se confirmado, será um resultado notável, apontando o caminho para a próxima geração de soluções de buracos negros", disse Farrah.

Croker acrescentou: "Esta medição, explicando porque é que o Universo está agora a acelerar, fornece uma bela visão da força real da gravidade de Einstein. Um coro de vozes minúsculas espalhadas por todo o Universo pode trabalhar em conjunto para dirigir todo o cosmos. Quão impressionante é isso?"

Este modelo atualmente deve ser considerado como uma hipótese excitante, que pode ser testada experimentalmente com mais estudos dos dados existentes. Felizmente há, e haverá, mais informação que pode ser utilizada para validar ou rejeitar a teoria, embora seja provável que isso demore alguns anos. Se confirmada, representa uma grande mudança na cosmologia e aponta para uma revolução na nossa compreensão do Universo.

// Universidade do Hawaii (comunicado de imprensa)
// Universidade de Michigan (comunicado de imprensa)
// Colégio Imperial de Londres (comunicado de imprensa)
// Artigo científico #1 (The Astrophysical Journal)
// Artigo científico #1 (arXiv.org)
// Artigo científico #2 (The Astrophysical Journal Letters)
// Artigo científico #2 (arXiv.org)

Quer saber mais?

Universo:
A expansão acelerada do Universo (Wikipedia)
Universo (Wikipedia)
Idade do Universo (Wikipedia)
Estrutura a grande-escala do Universo (Wikipedia)
Big Bang (Wikipedia)
Cronologia do Big Bang (Wikipedia)
Modelo Lambda-CDM (Wikipedia)
Indicadores de distâncias cósmicas (Wikipedia)
"Escada" de distâncias cósmicas (Wikipedia)

Buraco negro supermassivo:
Wikipedia

Energia escura:
Wikipedia