Detecção potente de partículas pode indicar que já encontramos um buraco negro em explosão.

Um grão subatómico que atingiu a Terra com uma energia sem precedentes de 220 petaelétron-volts (PeV) pode ter sido o derradeiro “grito” de um buraco negro a desaparecer por completo.

Um novo estudo teórico propõe que o evento de neutrino de 2023, batizado KM3-230213A, é compatível com uma explosão final de radiação de Hawking libertada no instante em que um buraco negro primordial se evapora até ao nada.

Além disso, os físicos Alexandra Klipfel e David Kaiser, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), argumentam que o mesmo processo também pode dar conta de outros eventos de neutrinos de altíssima energia já observados.

Se esta interpretação estiver correta, os eventos de neutrinos mais energéticos poderiam representar a primeira evidência observacional de radiação de Hawking - um fenómeno previsto, mas ainda não confirmado de forma direta.

Há ainda um segundo ingrediente decisivo: o trabalho parte da hipótese de que os buracos negros primordiais constituem a maior parte da matéria escura que permeia o Universo. Nesse enquadramento, os resultados também apontam para uma explicação parcial de um dos maiores mistérios da cosmologia.

“Acontece que existe um cenário em que tudo parece encaixar: não só conseguimos mostrar que, nesse cenário, a maior parte da matéria escura é feita de buracos negros primordiais, como também conseguimos produzir estes neutrinos de alta energia a partir de uma explosão rara de um buraco negro primordial relativamente próximo”, afirma Klipfel. “É algo que agora podemos tentar procurar e confirmar com vários experimentos.”

Por que os neutrinos são tão difíceis de apanhar

Os neutrinos estão entre as partículas mais abundantes do Universo. Eles são produzidos em quantidades gigantescas em situações extremamente energéticas, como na fusão no interior das estrelas e nas explosões de supernovas. Ao mesmo tempo, são notoriamente “escorregadios”: não têm carga elétrica, a massa é quase nula e interagem muito pouco com a matéria ao redor. Na prática, centenas de bilhões atravessam o seu corpo neste exato momento.

Essa natureza evasiva torna a deteção extremamente complicada. Ainda assim, ocasionalmente um neutrino colide com outra partícula de um modo que deixa uma assinatura observável em instrumentos apropriados. Em geral, espera-se que a energia transportada pelo neutrino esteja relacionada ao mecanismo que o gerou - quanto mais violento o processo, mais energético tende a ser o neutrino.

Foi por isso que o KM3-230213A chamou tanta atenção: com 220 PeV, ele ficou muito acima do que se considerava o limite observado. O recorde anterior chegava a apenas 10 PeV.

Esse salto enorme levantou uma pergunta inevitável: que “motor” seria capaz de produzir um neutrino tão extremo? Uma possibilidade é estarmos a ver um tipo de fenómeno astrofísico ainda não identificado.

Buracos negros primordiais e radiação de Hawking: a aposta para explicar o KM3-230213A

A hipótese leva aos buracos negros primordiais, objetos que, em teoria, poderiam ter surgido a partir de flutuações quânticas no tecido do espaço-tempo no primeiro segundo após a Grande Explosão. Até hoje, a existência deles não foi confirmada; e, segundo os modelos, muitos deveriam ter desaparecido rapidamente.

O motivo é a chamada radiação de Hawking, que seria produzida por efeitos quânticos nas proximidades do horizonte de eventos. Um ponto crucial dessa previsão é que quanto menor o buraco negro, mais energética é a radiação de Hawking emitida. Com o tempo, o objeto perderia massa, encolheria e, no fim, evaporaria completamente, terminando num “puf” explosivo de partículas.

Klipfel e Kaiser propõem um cenário em que, se mesmo uma fração da matéria escura do Universo for composta por buracos negros primordiais, então alguns desses objetos ainda poderiam existir hoje - já a caminho do seu fim inevitável.

A pergunta central do estudo foi direta: será que o KM3-230213A e mais alguns neutrinos na faixa de PeV poderiam ser explicados pela radiação de Hawking emitida durante a morte desses buracos negros?

Para investigar, a dupla estimou quanta radiação de Hawking um buraco negro em contração deveria libertar, seguindo o processo até ao instante final da evaporação.

O que o modelo prevê no último nanossegundo

Os cálculos indicam que, no último nanossegundo de vida, um buraco negro primordial com massa da ordem da de um asteroide poderia emitir cerca de um sextilhão de neutrinos, com energias na mesma faixa observada no KM3-230213A.

Mas existe uma condição geométrica dura para que um neutrino com aquela assinatura energética acabasse por colidir com a Terra: a explosão teria de ocorrer a menos de 2.000 unidades astronómicas (UA) do nosso planeta - cerca de 3% de um ano-luz (aproximadamente 3 × 10¹¹ km). Isso fica dentro da nuvem de Oort, a vasta esfera de pequenos corpos gelados que marca, em termos gravitacionais, a periferia do Sistema Solar.

Dentro do enquadramento adotado pelos autores, tal coincidência seria possível, mas rara: eles estimam uma probabilidade de pouco menos de 8%.

“Uma chance de 8% não é particularmente alta, mas está plenamente dentro do intervalo que devemos levar a sério - ainda mais porque, até agora, não surgiu outra explicação que consiga dar conta tanto dos neutrinos de energia muito alta sem explicação quanto do ainda mais surpreendente evento de neutrino de energia ultra-alta”, afirma Kaiser.

E os outros neutrinos muito energéticos?

No mesmo quadro, os eventos menos energéticos considerados no estudo poderiam ser entendidos como uma espécie de zumbido de fundo: explosões de buracos negros primordiais muito mais distantes, “estourando” como balões minúsculos espalhados pelo cosmos.

Uma implicação prática é que os observatórios de neutrinos podem, em princípio, procurar não apenas eventos isolados extremamente energéticos, mas também padrões estatísticos compatíveis com essa população de fontes. Se houver uma contribuição relevante de buracos negros primordiais, isso pode deixar uma assinatura na distribuição de energias e direções dos neutrinos detetados ao longo do tempo.

Também vale notar que confirmar a origem exige cruzar pistas: uma evaporação final prevista por este cenário pode não produzir sinais eletromagnéticos fáceis de identificar, o que aumenta a importância de estratégias de “mensageria múltipla” (comparando neutrinos com outros tipos de observação) e de melhorar a capacidade de reconstruir a direção de chegada dos eventos.

Um prognóstico ainda mais ousado - e o cuidado necessário

Para tornar o quadro ainda mais intrigante, um outro estudo, publicado poucos dias antes do trabalho de Klipfel e Kaiser, sugeriu que a deteção de um buraco negro primordial em explosão poderia ocorrer com probabilidade de 90% dentro de uma década. Se isso se sustentar, é legítimo perguntar se os detetores de neutrinos já não estariam a captar esse tipo de assinatura há mais tempo do que imaginamos.

Ainda assim, trata-se de uma afirmação forte e que pede muito mais evidência antes que se possa declarar que a radiação de Hawking foi finalmente observada - e, por extensão, que buracos negros primordiais foram detetados. Mesmo assim, o cenário descrito pelos autores sugere que pode ser apenas uma questão de tempo até que dados mais abundantes (e novos eventos extremos) permitam testar a hipótese com rigor.

A pesquisa foi publicada na revista Cartas de Revisão Física.