Por Alicia Dias (almeidag.aliciadias@usp.br)

Um dos grandes mistérios da astrofísica é a composição da matéria escura. Pelo que se sabe até o momento, ela é uma forma de matéria que exerce gravidade, que compõe cerca de 27% do universo, mas que não interage com a luz, ou seja, não é visível.

Na década de 70, Stephen Hawking e Bernard Carr propuseram, pela primeira vez, uma hipótese a fim de explicar o que é a matéria escura: os buracos negros primordiais. Ao contrário dos buracos negros mais amplamente conhecidos, que se formam através do colapso de estrelas, tais formas primordiais  teriam surgido “a partir de defeitos topológicos em uma era bem inicial do nosso universo, antes mesmo das estrelas existirem”, afirma Maria Eduarda Inácio, doutoranda em Física Teórica pela Universidade Estadual Paulista (UNESP). 

Recentemente, a hipótese sobre existência de buracos negros primordiais voltou a ser alvo de discussões na comunidade astrofísica. Isso aconteceu porque o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser (LIGO) detectou a colisão de dois objetos, um deles com massa inferior à do Sol, uma possível representação desse tipo de singularidade.

O que é um buraco negro?

Atualmente, a existência de buracos negros é amplamente aceita pela comunidade científica. Tais objetos celestes possuem uma região chamada “horizonte de eventos”, que exerce intenso efeito gravitacional e impede que qualquer elemento escape de sua atração, inclusive a luz. 

Eles foram propostos como uma consequência da Relatividade Geral de Einstein (1915). Essa teoria  define a gravidade como uma curvatura do espaço-tempo por matéria e por energia, o que descreve o exterior dos buracos negros. Um aspecto da estrutura desses corpos que as leis da Física ainda não conseguem explicar é a singularidade: um ponto central onde a densidade e a curvatura espaço-temporal se tornam infinitas.

“Hoje, [a existência de buracos negros] é algo tão concreto quanto a existência de planetas no Sistema Solar. Há questões a respeito deles que não entendemos ainda, da mesma forma que não sabemos tudo sobre o fundo dos oceanos ou sobre questões da vida na Terra.”
– Martin Makler, pesquisador titular do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF)

Segundo Martin, existem três evidências que sustentam a existência desse tipo de objeto celeste. A primeira é a detecção de ondas gravitacionais emitidas pela colisão e fusão de dois buracos negros, observadas pela primeira vez em 2015 pelos detectores LIGO. Desde então, uma grande quantidade de dados sobre esses eventos vem sendo coletada. A segunda é a chamada “sombra” do buraco negro – silhueta formada quando a luz de objetos distantes é distorcida ao redor dele pelo efeito de lente gravitacional, aparecendo como um anel luminoso. Essa imagem foi registrada em 2019 pelo Event Horizon Telescope no centro da galáxia M87.

A terceira evidência é a órbita muito rápida de estrelas próximas ao núcleo de galáxias. Esse movimento sugere que elas estejam girando em torno de algo muito pequeno e extremamente massivo: buracos negros supermassivos localizados nos centros galácticos.

Uma forma mais antiga

Apesar das extensas discussões sobre buracos negros tradicionais e supermassivos, ainda não há teorias consolidadas em relação aos primordiais. 

Segundo Makler, tais objetos teriam surgido numa etapa remota da história do universo, em que tudo era extremamente quente, denso e estava se expandindo rapidamente. Dessa forma, esse tipo de buraco negro, muito menor que uma estrela massiva e que qualquer outro já visualizado, não iria exercer nenhum tipo de interação – como interações nucleares e eletromagnéticas – além da gravitacional. Isso explica o porquê de não terem sido identificados diretamente até o momento.  

Diferentes teorias a respeito das condições de seu surgimento são estudadas pelos astrofísicos. Uma delas afirma que esses objetos celestes teriam se formado pelo colapso de cordas cósmicas, que são um defeito topológico, ou seja, uma falha formada em um estágio inicial do universo, no qual estariam ocorrendo grandes transições de fase – mudanças em propriedades físicas, como de temperatura e densidade.

“Quando a água está fervendo, por exemplo, ela forma bolhas. Essas bolhas, elas podem ser entendidas como defeitos topológicos na água. E as cordas cósmicas são tipo essas bolhas.” 
– Maria Eduarda Inácio, doutoranda em física teórica pela Universidade Estadual Paulista (UNESP). 

Segundo a pesquisadora, essas cordas cósmicas possuem um comportamento oscilatório, como um loop. Ao colapsarem, as cordas podem se contrair, cada uma em um único ponto, e podem atingir um raio crítico — o raio de Schwarzschild —, no qual toda a matéria fica confinada, o que configura a singularidade de um buraco negro. 

Outra hipótese que tenta explicar a origem dos buracos negros primordiais envolve mudanças nas flutuações de energia durante a inflação do universo – período de expansão ocorrido logo após o Big Bang. Segundo Martin Makler, nessa época o cosmos ainda não possuía matéria comum, como elétrons e prótons, mas era dominado por um campo escalar,  que daria origem a tudo que existe hoje.

De acordo com o pesquisador, esse campo apresenta flutuações quânticas distribuídas em diferentes escalas, conhecidas como espectro de potência. “No modelo mais comum, você tem flutuações mais ou menos iguais em todas as escalas — chamado espectro invariante de escala”, explica.

Nesse cenário, caso determinadas regiões apresentassem flutuações maiores do que o padrão esperado, poderiam surgir áreas extremamente densas, capazes de colapsar e formar buracos negros primordiais.

Existem outras linhas teóricas, que tentam explicar esse fenômeno. Como é o caso das Domain Walls (paredes de domínio) e outros defeitos topológicos que podem colapsar e se tornar buracos negros primordiais.

O mistério da Matéria Escura

Apenas 4% do universo é formado por matéria comum. Nessa porcentagem estão incluídos: planetas, estrelas, satélites naturais etc. Todo o restante se divide entre energia e matéria escura.  

Tal forma de matéria não pode ser detectada diretamente, por não interagir com os sinais captados por telescópios – luz visível, rádio ou raios X. Se não é possível comprovar a existência dela a partir de qualquer tipo de visualização, resta a opção de investigá-la a partir de seus efeitos gravitacionais. 

Apesar de ser invisível para os instrumentos atuais, a primeira evidência a seu respeito surgiu em 1970, quando Vera Rubin e W. Kent Ford observaram estrelas orbitando na periferia de galáxias. Eles notaram que, dada a velocidade com que as estrelas estavam se movendo, seria impossível que se mantivessem unidas pelo efeito gravitacional da matéria visível da galáxia e da sua gravidade. A única explicação para a não dispersão desses corpos seria, então, uma grande quantidade de matéria invisível que funcionasse como uma espécie de “cola” para a galáxia.

Desde então, cientistas tentam explicar a composição do que seria a dita matéria escura. Ao longo dos anos, foram elaboradas inúmeras tentativas para responder essa pergunta, sendo uma delas justamente a de que os buracos negros primordiais poderiam ser uma forma de matéria escura.

“Pensava-se que ela, talvez, fosse planetas, asteroides, coisas que não emitem luz e que gravitam. Mas hoje sabemos que ela não pode ser composta pela matéria conhecida (prótons, elétrons etc.). Nesse contexto, a ideia do buraco negro primordial começa a ganhar corpo como um candidato à matéria escura.”
– Martin Makler, pesquisador titular do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF)

Ou seja, por terem se formado em um momento remoto do universo, os buracos negros em questão não seriam capazes de interagir com partículas, salvo sua interação gravitacional, assim como acontece com a matéria escura.

Essa hipótese, porém, ainda não foi comprovada, uma vez que as pesquisas realizadas por observatórios de microlentes gravitacionais, como o LIGO, até o momento descartam a possibilidade de buracos negros com massa superior a 10^⁻10 massas solares constituírem a matéria escura. 

No entanto, o sinal captado no fim de 2025, referente à colisão entre dois buracos negros – sendo um deles com massa inferior à do Sol – reforça a necessidade de desenvolver instrumentos cada vez mais sensíveis, capazes de detectar objetos ainda menos massivos. A detecção de buracos negros nessa faixa pode fornecer novos indícios sobre a existência de buracos negros primordiais e seu possível papel como candidato à matéria escura.

Outros detectores de ondas gravitacionais

Existem outros observatórios de ondas gravitacionais além do LIGO – localizado nos Estados Unidos em instalações do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) e do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT). Como é o caso do VIRGO, na Itália, e do Kamioka Gravitational Wave Detector, KAGRA, no Japão.

Apesar de o Brasil não participar diretamente como membro dessa primeira geração de interferômetros de ondas gravitacionais – alguns pesquisadores do país representaram estiveram presentes em seu desenvolvimento –, atualmente instituições brasileiras – como o CBPF, o Instituto de Física Teórica da UNESP, a Universidade de São Paulo (USP) e a Universidade Federal do Espírito Santo (UFES) –  são colaboradoras de um novo equipamento, ainda mais avançado, o Einstein Telescope. Com previsão de ser 1000 vezes mais sensível que os detectores atuais, ele será instalado na Europa e conta com a colaboração de países da Oceania e da Ásia.

*Imagem de capa: NASA ‘s Scientific Visualization Studio/Wikimedia Commons