Com origem nas maiores explosões luminosas do espaço profundo e detetados na Terra sob a forma de curtíssimos sinais de rádio, têm-se dito muito sobre a natureza dos chamados Impulsos Rápidos de Rádio, mas o mistério poderá estar desfeito. João Rosa, físico da Universidade de Aveiro, aponta que, afinal, os sinais poderão ser gerados pela própria matéria escura sob a forma de axiões e buracos negros tão antigos como o próprio Universo.

Publicado este mês na prestigiada Physical Review Letters com honras de "Editors' Suggestion", uma distinção atribuída a cerca de um em cada seis artigos divulgados nesta revista, o trabalho do investigador do Departamento de Física e do Centro de Investigação e Desenvolvimento em Matemática e Aplicações da UA aponta uma possível nova solução para um mistério que dura desde 2007, ano em que o primeiro daqueles sinais de rádio foi detetado. Desse ano para cá, foram registados mais trinta explosões seguidas de outros tantos sinais de rádio, muitos deles emitidos há mais de mil milhões de anos antes em galáxias situadas a várias centenas de milhões de anos-luz da Terra.

“Cerca de trinta explosões deste género [estes Impulsos Rápidos de Rádio são conhecidos na comunidade científica internacional como Fast Radio Bursts (FRB)] foram observadas por telescópios na última década e, apesar das muitas teorias propostas para as explicar, a sua origem permanecia desconhecida”, descreve João Rosa cujo trabalho agora publicado foi feito em colaboração com o investigador americano Thomas Kephart, da Universidade Vanderbilt (EUA).

A explicação para o fenómeno dos FRB acabou por acontecer por acaso, explica a Universidade de Aveiro numa nota enviada às redações. João Rosa procurava mostrar que, ao contrário do defendido até hoje pela comunidade científica internacional, a instabilidade dos buracos negros em rotação leva à emissão de radiação electromagnética. Mais: que essa instabilidade, que dá origem a uma nuvem de axiões numa curiosa forma de donut à volta do buraco negro, não só emite radiação como esta é das maiores de que há registo no Universo. “É uma explosão de radiação eletromagnética equivalente à de mil milhões de sóis”, desvenda o investigador.

“A combinação de dois dos mais populares candidatos a explicar a misteriosa matéria escura que permeia o Universo, os axiões e os buracos negros primordiais, pode gerar algumas das mais luminosas explosões no Universo”

 

Os buracos negros primordiais foram originalmente postulados por Hawking, em 1971, tendo-se formado pouco após o Big Bang no seguimento do colapso gravitacional de regiões de densidade extremamente elevada.

“Estes buracos negros poderão ser bem mais pequenos e leves que os buracos negros conhecidos, com massa superior à do Sol. Se estes buracos negros forem produzidos em número suficientemente grande no Universo primordial, poderão também explicar uma fração significativa da matéria escura, ainda que provavelmente não a expliquem na sua totalidade”, descreve.

Quando dois destes buracos negros se encontram, sublinha o investigador do Departamento de Física, “formam um sistema binário e acabam por colidir e formar um novo buraco negro, mais pesado e tipicamente a rodar rapidamente sobre si próprio”. Se os axiões existirem e forem suficientemente leves, podem levar a que este novo buraco negro em rotação se torne instável. “Esta instabilidade superradiante, como é conhecida, força o buraco negro a reduzir a sua velocidade de rotação através da produção de axiões na sua vizinhança, sob a forma de uma densa nuvem de axiões em torno do buraco negro, aproximadamente com a forma de um ‘donut’”, aponta.

Portas abertas para estudar a matéria escura

“Apesar de esta instabilidade ter sido prevista teoricamente há mais de quatro décadas, até agora ninguém tinha tido em conta o facto de os axiões serem eles próprios partículas instáveis, podendo decair [transformar-se] em pares de fotões [constituintes elementares da luz]. Ainda que a probabilidade de este decaimento ocorrer de forma espontânea seja diminuta, tal que um axião tem uma vida média superior à idade do Universo, o decaimento de um axião poderá ser estimulado pela passagem de um fotão”, descreve o investigador.

Cada um dos fotões resultantes deste decaimento poderá assim encontrar um novo axião ao viajar no interior da nuvem de axiões e estimular o seu decaimento, produzindo dois novos fotões que poderão, por sua vez, estimular o decaimento de mais axiões, e assim sucessivamente. Este ‘efeito dominó’, compara, “é muito semelhante ao que acontece num laser típico, levando à produção de um número muito elevado de fotões”.

João Rosa mostrou neste trabalho que as nuvens de axiões formadas em torno de pequenos buracos negros primordiais poderão ser tão densas que bastará um pequeno número de fotões para estimular o decaimento de um número elevadíssimo de axiões, produzindo um laser extremamente potente e luminoso.

“Chamámos a este novo fenómeno um “BLAST” [do acrónimo inglês para Black hole Laser powered by Axion SuperradianT instabilities] devido à sua natureza explosiva, uma vez que uma nuvem de axiões pode atingir uma grande luminosidade em muito pouco tempo, ao fim do qual deixa de conseguir suportar o fortíssimo campo electromagnético gerado pelo laser no seu interior e o laser ‘desliga-se’”.

“A nossa análise revelou também algo bastante surpreendente, que os BLASTs podem já ter sido observados. Para que os axiões expliquem naturalmente a maior parte da matéria escura no Universo, a sua massa deverá ser cerca de cinquenta mil milhões de vezes inferior à do eletrão. Neste caso, previmos que os BLASTs corresponderão a explosões electromagnéticas na gama do rádio, com frequências da ordem dos GHz e duração de apenas alguns milisegundos, brilhando neste curto período como cerca de mil milhões de sóis”, aponta o trabalho.

Cerca de trinta explosões deste género, conhecidas como FRB foram observadas por telescópios na última década e, apesar das muitas teorias propostas para as explicar, a sua origem permanece desconhecida.

“Os nossos resultados sugerem assim que estas potentes explosões celestiais possam ter origem na própria matéria escura, sob a forma de axiões e buracos negros primordiais”, congratula-se João Rosa. Isto poderá, desta forma, “constituir um novo laboratório astrofísico para testar a natureza da matéria escura, o seu papel na física de partículas elementares e também as condições extremas no Universo logo após o Big Bang”.