Ondas gravitacionais podem revelar matéria escura escondida em torno de buracos negros

A pesquisa foi realizada por Rodrigo Vicente, Theophanes K. Karydas e Gianfranco Bertone do Instituto de Física UvA (IoP) e do centro de excelência GRAPPA para Gravitação e Física de Astropartículas de Amsterdã. Suas descobertas foram publicadas na revista Cartas de revisão física. No estudo, a equipa apresenta um método mais avançado para calcular como a matéria escura que rodeia os buracos negros altera subtilmente as ondas gravitacionais que esses sistemas produzem.

Inspirais de Razão de Massa Extrema e Sinais Gravitacionais Longos

O estudo concentra-se em uma classe de sistemas conhecidos como inspirais de proporção de massa extrema, ou EMRIs. Estas ocorrem quando um objeto pequeno e denso – como um buraco negro criado pelo colapso de uma única estrela – se move em órbita em torno de um buraco negro muito maior, geralmente localizado no centro de uma galáxia. Com o tempo, o objeto menor espirala gradualmente para dentro, emitindo ondas gravitacionais ao longo desta descida lenta.

Espera-se que as próximas missões espaciais, incluindo a antena espacial LISA da Agência Espacial Europeia, com lançamento previsto para 2035, observem estes sinais durante períodos muito longos. Alguns eventos EMRI podem ser rastreados durante meses ou até anos, cobrindo centenas de milhares a milhões de órbitas individuais. Quando os cientistas conseguem modelar estes sinais com alta precisão, os dados resultantes funcionam como “impressões digitais cósmicas” detalhadas que revelam como a matéria está organizada perto de buracos negros massivos. Isso inclui a matéria escura, que se acredita constituir a maior parte da matéria do Universo.

Por que um modelo totalmente relativístico é importante

Antes de observatórios como o LISA começarem a recolher dados, os investigadores devem compreender antecipadamente que tipos de padrões de ondas gravitacionais devem esperar e como interpretá-los. Até agora, muitos estudos usaram modelos simplificados que descrevem apenas aproximadamente como o ambiente circundante influencia os EMRIs. Segundo os autores, essas aproximações deixam de fora efeitos físicos importantes.

O novo trabalho aborda esta limitação introduzindo a primeira estrutura totalmente relativística para uma ampla gama de ambientes possíveis. Isto significa que os cálculos baseiam-se inteiramente na teoria da gravidade de Einstein, em vez de aproximações newtonianas simplificadas. Como resultado, o modelo pode descrever com mais precisão como a matéria em torno de um buraco negro massivo altera a órbita do objeto menor e remodela as ondas gravitacionais que são emitidas.

Picos de matéria escura e impressões detectáveis

Um foco principal do estudo está nas regiões densas de matéria escura que podem se formar em torno de buracos negros massivos. Estas concentrações são frequentemente referidas como “picos” ou “montes”. Ao incorporar o seu modelo relativístico nos cálculos modernos de formas de onda gravitacionais, os investigadores demonstram que tais estruturas de matéria escura deixariam assinaturas distintas e mensuráveis ​​nos sinais detectados por futuros observatórios.

Os autores descrevem esta pesquisa como um passo essencial em direção a um objetivo científico mais amplo. Com o tempo, eles esperam que as ondas gravitacionais possam ser usadas para mapear como a matéria escura está distribuída por todo o Universo e fornecer novas informações sobre a sua natureza fundamental.