Explosão de buraco negro pode mudar nossa compreensão do Universo

Buracos negros primordiais são objetos hipotéticos propostos por Stephen Hawking que teriam se formado nos primeiros instantes após o Big Bang. Eles teriam se formado a partir de flutuações extremas de densidade no Universo primordial. Após a formação, esses buracos negros poderiam possuir massas desde valores comparáveis a átomos até massas planetárias ou maiores.

Além disso, Stephen Hawking também introduziu o conceito de radiação de Hawking que diz que buracos negros podem emitir radiação térmica. Para buracos negros primordiais de baixa massa, esse processo levaria a uma perda gradual de energia ao longo do tempo e resultaria em uma fase final extremamente energética. Durante essa fase, um buraco negro primordial de baixa massa poderia explodir e liberar partículas energéticas, como fótons de alta energia, raios gama e neutrinos.

Recentemente, experimentos de neutrinos com o observatório KM3NeT detectaram eventos energéticos que alguns físicos interpretam como possíveis assinaturas da explosão de buracos negros primordiais. Se caso for confirmado, essa será a primeira observação de um buraco negro primordial e isso poderia abrir uma nova janela observacional para a física do Universo primordial.

Buracos negros primordiais

Buracos negros primordiais são objetos teóricos que teriam se formado nos primeiros instantes do Universo, logo após o Big Bang. Eles se formariam quando pequenas flutuações de densidade foram amplificadas a ponto de colapsar gravitacionalmente. Diferentemente dos buracos negros astrofísicos que observamos hoje, como os estelares e supermassivos, os buracos negros primordiais podem existir em diferentes tamanhos desde átomos até estelares.

A existência desses buracos negros está ligada às condições físicas do Universo jovem e a possíveis fases de expansão acelerada ou transições de fase no plasma primordial. Caso existam, essas fases de expansão podem influenciar a formação de estruturas cósmicas e afetar a dinâmica do Universo em grande escala. Os buracos negros primordiais são frequentemente estudados como candidatos à matéria escura, já que interagem principalmente por meio da gravidade.

Radiação de Hawking

A radiação de Hawking é um efeito quântico proposto por Stephen Hawking segundo o qual buracos negros emitem partículas devido a flutuações quânticas próximas ao horizonte de eventos. Esse processo faz com que o buraco negro perca massa de forma lenta, sendo praticamente imperceptível para buracos negros estelares ou supermassivos. No entanto, quanto menor a massa do buraco negro, maior é a taxa de emissão dessa radiação e mais rápido ocorre sua evaporação.

No caso dos buracos negros primordiais, especialmente os de baixa massa formados no início do Universo, a radiação de Hawking pode levar à sua completa evaporação ao longo do tempo. Nos estágios finais desse processo, o processo resulta na liberação de grandes quantidades de energia em um curto intervalo de tempo formando uma explosão. Durante esse processo, é esperado que partículas altamente energéticas, como fótons e neutrinos, sejam emitidas.

Um buraco negro explodindo

Em 2023, o detector de neutrinos KM3NeT registrou um neutrino com energia cerca de 100 mil vezes maior do que a maior partícula já produzida no LHC. Esse evento ficou sem explicação porque nenhum fenômeno astrofísico conhecido emitia essa energia em neutrinos. Com isso, alguns físicos analisaram a possibilidade de que o sinal pode ser resultado da explosão final de um buraco negro primordial.

Os pesquisadores sugeriram a existência de buracos negros primordiais com uma “carga escura”, associados a partículas além do Modelo Padrão. Esses buracos negros teriam taxas de emissão e assinaturas observacionais diferentes, podendo gerar eventos raros e direcionais que explicaria porque alguns observatórios não detectaram. Se confirmada, essa hipótese indicaria a primeira observação indireta da explosão de um buraco negro primordial.

Respostas sobre matéria escura

Esses modelos com buracos negros primordiais portadores de uma “carga escura” oferecem um novo caminho para explicar a natureza da matéria escura. Uma população grande de buracos negros primordiais que foram formados no início do Universo poderia atuar como matéria escura. Isso explicaria uma parte do porque só conseguimos observar a matéria escura de forma gravitacional.

Com isso, seria possível explicar a produção de neutrinos energéticos observados e, ao mesmo tempo, fornecer uma explicação unificada para a matéria escura. Caso evidências adicionais confirmem essa hipótese, ele abriria a possibilidade de verificar observacionalmente a radiação de Hawking e comprovar a existência de buracos negros primordiais.

Referência da notícia

Baker at al. 2025 Explaining the PeV neutrino fluxes at KM3NeT and IceCube with quasiextremal primordial black holes Physical Review Letters