Os buracos negros primordiais e a possível quinta dimensão escura

Por mais livres que sejamos, a existência humana terá sempre limites.

Não conseguimos escapar às dimensões do Universo clássico: três direções espaciais e a passagem inexorável do tempo.

A gravidade, porém, poderá não estar sujeita às mesmas regras que governam a carne e a pedra. Poderá estender-se por uma quinta dimensão «escura», oculta para lá da brana à qual a matéria está presa.

Se esse domínio existir, poderá haver objetos cuja gravidade o alcance, deformando a sua geometria de formas que nos dariam uma janela para um plano que a nossa mente mal consegue conceber.

Essa janela poderá assumir a forma de buracos negros primordiais: objetos microscópicos, mas incrivelmente densos, que se pensa terem surgido nas condições extremas existentes pouco depois do Big Bang.

De acordo com um novo estudo liderado pelo físico Luis Anchordoqui, da Faculdade Lehman, nos Estados Unidos, num Universo com uma dimensão escura todos os buracos negros primordiais terão necessariamente cinco dimensões, salvo se existir alguma física nova, exótica e desconhecida a baixas energias. De outro modo, não podem ser diferentes.

Buracos negros primordiais e matéria escura

O conceito de buraco negro será provavelmente familiar: são objetos ultradensos que se formam quando os núcleos de estrelas de grande massa colapsam, depois de esgotarem o seu combustível e explodirem como supernovas. No extremo de maior massa encontram-se as versões supermassivas, em torno das quais giram as galáxias.

No extremo oposto estão os buracos negros primordiais.

Estes objetos, comparativamente diminutos, são demasiado pequenos para se terem formado a partir de um núcleo estelar. Em vez disso, os físicos teorizam que nasceram de regiões de densidade excessiva na turbulenta sopa primordial do Universo, num primeiro instante após o Big Bang.

Continuam a ser hipotéticos: nunca foi detetado um buraco negro primordial de forma conclusiva. Ainda assim, despertam grande interesse entre os físicos. Enquanto vestígios do Universo na sua infância, poderão conservar pistas sobre as condições de uma época da história cósmica que temos muito pouca capacidade de observar diretamente.

Há também muito tempo que são considerados um possível componente da matéria escura, a misteriosa fonte de gravidade adicional que influencia o movimento e a aglomeração da matéria em todo o Universo.

Segundo Anchordoqui e os seus colegas, se forem suficientemente pequenos para sondar a física às escalas em que uma dimensão adicional se torna relevante, os buracos negros primordiais poderão ainda revelar algo sobre a própria estrutura dimensional do espaço-tempo.

A dimensão escura para lá da brana

É aqui que entra a brana.

Imagine uma folha de papel com uma figura de traços desenhada. Essa figura pode deslocar-se para cima e para baixo e de um lado para o outro, mas está presa a duas dimensões: não consegue erguer-se da folha nem conceber facilmente o mundo para lá dela.

Imagine agora que o nosso próprio plano de existência se encontra, de forma semelhante, dentro de um espaço com mais dimensões.

As três dimensões espaciais que conhecemos, juntamente com o tempo, constituem uma brana quadridimensional inserida num espaço de dimensão superior, a que os físicos chamam espaço envolvente.

Tal como o ser bidimensional tem dificuldade em imaginar uma terceira dimensão espacial para lá do seu plano, também nós nos deparamos com obstáculos quando tentamos conceber uma quarta dimensão espacial para lá das nossas.

O cenário da dimensão escura propõe que essa dimensão existe, mas está compactificada a uma escala minúscula, de aproximadamente um micrómetro. A compactificação significa, essencialmente, que a dimensão adicional é finita, ao contrário das dimensões espaciais que nos são familiares.

As partículas que constituem a matéria comum permanecem presas à brana e não podem aventurar-se para lá dela.

A gravidade, no entanto, poderá não ter essas mesmas limitações.

Um micrómetro é muito pequeno à nossa escala - corresponde a um milionésimo de metro -, mas para um buraco negro primordial suficientemente microscópico é uma medida bastante mais significativa.

Normalmente, os físicos tratam os buracos negros como objetos quadridimensionais, cuja gravidade extrema deforma intensamente as três dimensões do espaço e a dimensão do tempo. Este modelo funciona muito bem para os buracos negros de escala macroscópica que observamos por todo o Universo.

Contudo, se um buraco negro for suficientemente pequeno, o quadro altera-se. Quando o horizonte de acontecimentos é pequeno em comparação com a escala da dimensão escura, a gravidade do buraco negro pode estender-se por essa direção espacial adicional.

Nesse caso, o buraco negro deixa de estar confinado a quatro dimensões e a sua geometria passa a ser pentadimensional.

Como se formam os buracos negros primordiais pentadimensionais

Anchordoqui e os seus colegas quiseram perceber o que isto significaria para os buracos negros primordiais. Em concreto, procuraram determinar se os diferentes processos que se pensa poderem produzi-los no Universo primitivo dariam origem a objetos de quatro ou de cinco dimensões.

Os cientistas consideram várias formas pelas quais o Universo primitivo, ainda caótico, poderia ter gerado estes buracos negros. Os investigadores centraram-se em duas: transições de fase violentas durante o arrefecimento do Universo jovem e o colapso de defeitos hipotéticos do espaço-tempo chamados cordas cósmicas.

Qualquer que fosse o processo analisado, os buracos negros primordiais acabavam por se estender à quinta dimensão.

No primeiro caso, importa saber que o Universo primitivo arrefeceu com extrema rapidez. Isso poderá ter provocado transições de fase abruptas, como quando o vapor se condensa em líquido ou um líquido congela instantaneamente e se transforma em gelo.

Em vez de moléculas de água reorganizadas, o resultado teria sido a formação de regiões de matéria primordial suficientemente densas para colapsarem em buracos negros minúsculos.

Com base nas estimativas das temperaturas envolvidas, os investigadores calcularam se esses buracos negros primordiais teriam dimensão suficiente para serem quadridimensionais. A resposta foi um redondo não.

Àquela escala minúscula, a configuração quadridimensional tornar-se-ia instável, obrigando os buracos negros primordiais a evoluir para objetos pentadimensionais, num processo conhecido como instabilidade de Gregory-Laflamme.

As cordas cósmicas oferecem um percurso diferente até um resultado muito semelhante. Estes defeitos hipotéticos do espaço-tempo poderão ter formado laços no Universo primitivo, que se contraíram devido à própria tensão e acabaram por colapsar em buracos negros.

Neste caso, os cálculos foram ainda mais conclusivos: no cenário da dimensão escura, os buracos negros primordiais produzidos pelo colapso de cordas cósmicas seriam pentadimensionais desde o nascimento.

A ideia não é apenas um exercício teórico divertido. Essa dimensão adicional alteraria a forma como o buraco negro evolui ao longo da sua existência.

Os buracos negros perdem massa gradualmente através da radiação de Hawking, sendo os mais pequenos aqueles que evaporam com especial rapidez.

Mas os buracos negros pentadimensionais evaporariam mais lentamente do que os seus equivalentes quadridimensionais. A equipa calculou que alguns buracos negros primordiais nascidos de cordas cósmicas poderiam ter uma duração de vida comparável à idade do Universo, de 13,8 mil milhões de anos.

Isto significa que alguns poderão ainda existir no Universo à nossa volta, a aproximar-se do fim da vida e prestes a desaparecer por completo numa nuvem de partículas.

Os investigadores sugerem até que um desses episódios de evaporação poderia explicar um neutrino extraordinariamente energético detetado pelo observatório KM3NeT.

Um buraco negro primordial pentadimensional poderia emitir partículas para o espaço envolvente, que posteriormente produziriam um neutrino na nossa brana. Isso poderia explicar por que razão não foi observado um fotão de alta energia correspondente vindo da mesma direção.

Esta hipótese é altamente especulativa. Ainda não foi demonstrada a existência de buracos negros primordiais nem da dimensão escura, e os investigadores reconhecem que há problemas por resolver nesta interpretação do acontecimento detetado pelo KM3NeT.

Mas é também isso que torna os buracos negros primordiais tão interessantes.

Se existirem, estes minúsculos vestígios do Universo jovem poderão conservar informações sobre a física que atua a escalas e energias que não conseguimos reproduzir - e talvez até sobre dimensões em que não podemos entrar.

Só precisamos de detetar um antes que desapareça para sempre.

As conclusões serão publicadas na revista Physical Review D a 28 de setembro.

Este artigo foi verificado e editado por Rebecca Dyer. Embora nos orgulhemos do nosso processo, também somos humanos. Se detetar algum erro, informe-nos.