Matéria escura pode ser formada por buracos negros remanescentes de um Universo anterior ao Big Bang

Uma nova pesquisa sugere que buracos negros remanescentes de antes do Big Bang ainda podem estar moldando as galáxias atualmente. Esses buracos negros poderiam explicar a matéria escura, uma das maiores questões ainda não resolvidas da Cosmologia.

De modo geral, buracos negros são regiões do espaço-tempo onde a matéria é comprimida em um espaço minúsculo. A matéria escura, por sua vez, é matéria que não reflete nem absorve luz. Sabemos que ela existe devido à sua influência gravitacional sobre galáxias e outras estruturas cósmicas.

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Ela pode ser vista como a "cola" que mantém as galáxias unidas, mas não sabemos de que é feita em um nível fundamental. A maioria dos físicos acredita que a matéria escura é composta por uma partícula subatômica ainda não descoberta.

Mas buracos negros antigos, anteriores ao Big Bang, também se encaixam nessa descrição. Eles são escuros, mas também possuem massa — exatamente as propriedades necessárias.

Explorei essa ideia em um novo artigo. É claro que a ideia de buracos negros remanescentes também exige uma revisão do próprio Big Bang.

Por quase um século, os cosmólogos traçaram a história do Universo até esse único e dramático momento. Mas talvez esse não tenha sido o início absoluto do tempo. Talvez houvesse um Universo antes do Big Bang.

Nesse cenário, o Universo entrou em colapso antes de passar por uma expansão. O Big Bang representa a transição entre as duas fases.

O modelo do Big Bang tem sido notavelmente bem-sucedido. Ele explica a radiação cósmica de fundo em micro-ondas — o resplendor do Universo primitivo — e prevê a distribuição em grande escala das galáxias com precisão surpreendente.

Mas, na Teoria da Relatividade Geral de Einstein, ele também é uma singularidade — um ponto onde a densidade se torna infinita e as leis conhecidas da física deixam de funcionar.

Muitos físicos interpretam isso não como uma realidade física, mas como um sinal de que algo está faltando. Singularidades seriam então menos como objetos físicos e mais como avisos matemáticos: elas nos dizem que nossas teorias atuais não conseguem descrever os momentos mais primitivos do Universo.

Um salto, não um estrondo

Uma alternativa ao Big Bang é a chamada "Cosmologia do Ricochete". Nesse cenário, o Universo passa por uma fase de contração antes do Big Bang, atingindo uma densidade extremamente alta — mas finita. Em vez de colapsar em uma singularidade, ele ricocheteia, dando início a uma nova fase de expansão.

Modelos de ricochete vêm sendo explorados há décadas, muitas vezes exigindo modificações na gravidade ou novos ingredientes exóticos. Mas nosso trabalho mostra que um ricochete pode surgir como uma solução regular dentro da física padrão, quando a gravidade e os efeitos da mecânica quântica — as leis que regem a natureza nas escalas mais minúsculas — são consistentemente levados em conta.

Na Cosmologia padrão, o Big Bang é rapidamente seguido por um período em que o Universo primitivo passa por uma expansão rápida e exponencial. Essa fase, conhecida como "inflação", efetivamente apaga todos os vestígios de estruturas anteriores.

A situação é diferente para um Universo em expansão. Em nosso trabalho, descobrimos que objetos maiores que 90 metros poderiam ter sobrevivido à transição do colapso para a expansão. Isso deixa para trás "relíquias" que carregam informações de uma época cósmica anterior. Essas relíquias podem incluir buracos negros, ondas gravitacionais e flutuações de densidade.

A física quântica contém uma pista poderosa sobre como isso é possível. De acordo com o princípio de exclusão de Pauli — um dos pilares da teoria quântica — a matéria se torna "degenerada" em densidades extremamente altas. A matéria gera uma pressão que resiste a uma compressão adicional, mesmo na ausência de calor.

Em nosso modelo, um efeito semelhante opera em escalas cosmológicas. Isso pode explicar por que o Universo não entra em colapso completo — e por que estruturas formadas antes ou durante o ricochete podem sobreviver até a fase de expansão.

Sobrevivendo ao apocalipse

Identificamos duas vias principais pelas quais buracos negros remanescentes podem existir.

A primeira é a sobrevivência direta. Objetos compactos e perturbações (flutuações na densidade ou na gravidade) gerados durante a fase de colapso do Universo podem persistir durante o ricochete.

A segunda via é ainda mais intrigante. Durante a contração, a matéria se aglomera naturalmente sob a gravidade, formando estruturas semelhantes aos halos que hoje abrigam galáxias. Após o ricochete, elas são capazes de colapsar eficientemente em buracos negros.

Galáxias e estrelas da fase de contração colapsam efetivamente em buracos negros, apagando a maior parte de sua estrutura detalhada, mas preservando sua massa.

Esses buracos negros poderiam ser a matéria escura? Por décadas, a principal candidata tem sido uma partícula fundamental — mas nenhuma foi detectada, apesar de extensas buscas.

Os buracos negros remanescentes oferecem uma alternativa convincente. Se o ricochete produzir um número suficiente deles, eles poderiam constituir uma fração significativa — talvez dominante — da matéria escura.

Essa ideia também pode estar relacionada a um dos enigmas observacionais mais intrigantes dos últimos anos.

O Telescópio Espacial James Webb (JWST) revelou uma população de objetos compactos e extremamente vermelhos no Universo primitivo, às vezes chamados de "pequenos pontos vermelhos". Essas fontes astronômicas parecem ser inesperadamente maciças e luminosas apenas algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang.

Muitos astrônomos suspeitam que elas estejam associadas a buracos negros em rápido crescimento — talvez as sementes dos buracos negros supermaciços encontrados nos centros das galáxias hoje. Mas sua existência é difícil de explicar dentro da Cosmologia padrão. Como objetos tão maciços poderiam se formar tão rapidamente?

Os buracos negros remanescentes oferecem uma explicação natural. Se sementes maciças já existissem imediatamente após o ricochete, o Universo primitivo não precisaria começar do zero. Os buracos negros supermaciços poderiam crescer a partir de sobreviventes antigos, em vez de objetos recém-formados.

Nesse sentido, o JWST pode já estar vislumbrando os descendentes das relíquias pré-ricochete.

Uma nova estrutura cosmológica

Em conjunto, o cenário do ricochete oferece uma maneira unificada de abordar vários problemas de longa data na Cosmologia.

• A singularidade do Big Bang é substituída por uma transição quântica. Essa transição poderia estar relacionada ao conceito da "ponte de Einstein-Rosen": uma ligação matemática entre duas regiões distintas do espaço-tempo.
• A inflação surge naturalmente da dinâmica próxima ao ricochete.
• A energia escura pode estar relacionada à estrutura global de um Universo finito.
• A matéria escura pode ser composta por buracos negros remanescentes — talvez nosso próprio Universo tenha começado como um deles.
• Ondas gravitacionais poderiam transportar sinais de uma fase cósmica anterior.
• Os buracos negros supermaciços podem ter origens antigas consistentes com observações recentes do JWST.

Ainda há muito trabalho a fazer. Essas ideias devem ser testadas com base em dados — desde ondas gravitacionais de fundo até levantamentos de galáxias e medições precisas da radiação cósmica de fundo em micro-ondas.

Mas a possibilidade é profunda: o Universo pode não ter começado uma única vez, mas pode ter sofrido um ricochete. E as estruturas escuras que moldam as galáxias hoje podem ser relíquias de uma época anterior ao Big Bang.

Enrique Gaztanaga recebe financiamento do Plano Nacional Espanhol (PGC2024) e das bolsas Maria de Maeztu (CEX2020-001058-M). Enrique Gaztanaga é também professor no Instituto de Ciências Espaciais (CSIC/IEEC) em Barcelona e mantém um blogue científico chamado DarkCosmos.com.