Buracos negros relíquia antes do Big Bang podem explicar a matéria escura

A investigação mais recente aponta para a hipótese de que buracos negros relíquia, formados antes do Big Bang, possam ainda hoje influenciar a formação e a evolução das galáxias. Esses buracos negros podem até oferecer uma explicação para a matéria escura, uma das maiores incógnitas por resolver em cosmologia.

Em termos gerais, os buracos negros são regiões do espaço-tempo onde a matéria fica comprimida num volume minúsculo. Já a matéria escura é um tipo de matéria que não reflecte nem absorve luz. Sabemos que existe por causa do efeito gravitacional que exerce sobre as galáxias e outras estruturas do cosmos.

Muitas vezes descreve-se a matéria escura como a "cola" que mantém as galáxias coesas, embora continuemos sem saber do que é feita a um nível fundamental. A maioria dos físicos defende que a matéria escura é constituída por uma partícula subatómica ainda não descoberta.

No entanto, buracos negros muito antigos, anteriores ao Big Bang, também encaixam nessa descrição: são escuros, mas têm massa - precisamente as propriedades necessárias.

Explorei esta possibilidade num novo artigo científico. Naturalmente, considerar a existência de buracos negros relíquia implica também repensar o próprio Big Bang.

Durante quase um século, os cosmólogos reconstituíram a história do Universo recuando até esse momento único e dramático. Mas talvez esse não tenha sido o início absoluto do tempo. É possível que tenha existido um Universo anterior ao Big Bang.

Nesse cenário, o Universo teria colapsado antes de voltar a expandir-se. O Big Bang corresponderia à transição entre essas duas fases.

O modelo do Big Bang tem sido extraordinariamente bem-sucedido. Explica a radiação cósmica de fundo em micro-ondas - o brilho residual do Universo primordial - e prevê, com uma precisão surpreendente, a distribuição das galáxias em grande escala.

Ainda assim, na teoria da relatividade geral de Einstein, o Big Bang é também uma singularidade: um ponto em que a densidade se torna infinita e as leis conhecidas da física deixam de funcionar.

Muitos físicos não interpretam isto como uma realidade física literal, mas como um indício de que falta algo. As singularidades assemelham-se menos a objectos físicos e mais a avisos matemáticos: sinalizam que as teorias actuais não conseguem descrever os primeiros instantes do Universo.

Um salto, não uma explosão

Uma alternativa é a cosmologia com ressalto (bouncing cosmology). Nesta perspectiva, antes do Big Bang o Universo atravessa uma fase de contracção e atinge uma densidade extremamente elevada - mas finita. Em vez de colapsar numa singularidade, "ressalta" e inicia uma nova fase de expansão.

Há décadas que os modelos de ressalto são estudados, muitas vezes exigindo alterações à gravidade ou ingredientes exóticos. Mas o nosso trabalho indica que um ressalto pode surgir como uma solução regular dentro da física padrão, desde que se tenham em conta, de forma consistente, a gravidade e os efeitos da mecânica quântica - as leis que regem a natureza às escalas mais pequenas.

Na cosmologia padrão, ao Big Bang segue-se rapidamente um período em que o Universo primordial passa por uma expansão acelerada e exponencial. Esta fase, conhecida como inflação, apaga de forma eficaz quaisquer vestígios de estruturas anteriores.

Num Universo com ressalto, a história é diferente. No nosso trabalho, concluímos que objectos com dimensões superiores a 90 metros poderiam sobreviver à passagem da fase de colapso para a fase de expansão.

Isso deixaria "relíquias" que transportam informação de uma época cósmica anterior. Entre essas relíquias podem estar buracos negros, ondas gravitacionais e flutuações de densidade.

A física quântica oferece uma pista importante para perceber como tal pode acontecer. De acordo com o princípio de exclusão de Pauli - um pilar da teoria quântica - a matéria torna-se "degenerada" a densidades extremamente altas. Nesse regime, a própria matéria gera uma pressão que resiste a uma compressão adicional, mesmo na ausência de calor.

No nosso modelo, um efeito análogo actua à escala cosmológica. Isto pode ajudar a explicar por que motivo o Universo não colapsa por completo - e por que razão estruturas formadas antes do ressalto, ou durante ele, podem atravessar essa transição e persistir na fase de expansão.

Sobreviver ao apocalipse

Identificámos dois caminhos principais pelos quais podem surgir buracos negros relíquia.

O primeiro é a sobrevivência directa. Objectos compactos e perturbações (flutuações na densidade ou na gravidade) gerados durante a fase de colapso do Universo podem manter-se através do ressalto.

O segundo caminho é ainda mais intrigante. Durante a contracção, a matéria tende naturalmente a aglomerar-se sob a gravidade, formando estruturas semelhantes aos halos que hoje acolhem galáxias. Depois do ressalto, esses aglomerados conseguem colapsar com eficiência e formar buracos negros.

As galáxias e estrelas da fase de contracção acabam, na prática, por colapsar em buracos negros, apagando grande parte da sua estrutura detalhada, mas preservando a sua massa.

Poderão esses buracos negros ser a matéria escura? Durante décadas, o candidato dominante tem sido uma partícula fundamental - mas, apesar de buscas extensas, nenhuma foi detectada.

Os buracos negros relíquia oferecem uma alternativa forte. Se o ressalto produzir um número suficiente deles, poderão constituir uma fracção significativa - talvez dominante - da matéria escura.

Esta ideia também pode ligar-se a um dos puzzles observacionais mais cativantes dos últimos anos.

O Telescópio Espacial James Webb (JWST) revelou uma população de objectos compactos e extremamente vermelhos no Universo primordial, por vezes designados por "pequenos pontos vermelhos". Estas fontes astronómicas parecem ser inesperadamente massivas e luminosas apenas algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang.

Muitos astrónomos suspeitam que estejam associadas a buracos negros em crescimento muito rápido - possivelmente as sementes dos buracos negros supermassivos que hoje se encontram nos centros das galáxias. No entanto, a sua existência é difícil de encaixar na cosmologia padrão. Como poderiam objectos tão massivos formar-se tão depressa?

Os buracos negros relíquia fornecem uma explicação natural. Se já existissem sementes massivas imediatamente após o ressalto, o Universo primordial não teria de começar do zero. Os buracos negros supermassivos poderiam crescer a partir de sobreviventes antigos, e não apenas de objectos recém-formados.

Nesse sentido, o JWST poderá já estar a observar descendentes de relíquias pré-ressalto.

Uma nova estrutura cosmológica

Em conjunto, o cenário do ressalto propõe uma forma unificada de abordar vários problemas de longa data em cosmologia.

• A singularidade do Big Bang é substituída por uma transição quântica. Esta transição pode estar relacionada com o conceito de "ponte de Einstein–Rosen": uma ligação matemática entre duas regiões distintas do espaço-tempo.
• A inflação surge naturalmente a partir da dinâmica nas proximidades do ressalto.
• A energia escura pode ser relacionada com a estrutura global de um Universo finito.
• A matéria escura pode ser composta por buracos negros relíquia - talvez o nosso próprio Universo tenha começado como um.
• As ondas gravitacionais podem transportar sinais de uma fase cósmica anterior.
• Os buracos negros supermassivos podem ter origens antigas, compatíveis com observações recentes do JWST.

Há ainda muito trabalho por fazer. Estas ideias precisam de ser testadas com dados - desde fundos de ondas gravitacionais até levantamentos de galáxias e medições de alta precisão da radiação cósmica de fundo em micro-ondas.

Mas a possibilidade é profunda: talvez o Universo não tenha começado uma única vez, mas tenha "ressaltado". E as estruturas escuras que hoje moldam as galáxias podem ser relíquias de um tempo anterior ao Big Bang.

Enrique Gaztanaga, Professor de Astrofísica no Instituto de Cosmologia e Gravitação, Universidade de Portsmouth

Este artigo é republicado de The Conversation ao abrigo de uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.