Desvendando a Matéria Escura: Como o Telescópio Event Horizon Pode Ser a Chave

Você já se perguntou o que compõe a maior parte do nosso universo? A resposta é a matéria escura, um mistério cósmico que intriga cientistas há décadas. Agora, uma nova pesquisa sugere que os poderosos buracos negros e as imagens capturadas pelo Telescópio Event Horizon (EHT) podem ser a nossa melhor aposta para finalmente desvendar esse enigma.

O que é a Matéria Escura e por que ela importa?

Pense no universo como uma grande torta. A parte que conseguimos ver e tocar – estrelas, planetas, galáxias – é apenas uma pequena fatia, cerca de 15%. Os outros 85%? É a matéria escura. Ela não emite, absorve ou reflete luz, tornando-a invisível para nossos telescópios convencionais. Mas sabemos que ela está lá por sua influência gravitacional. Sem ela, as galáxias simplesmente se despedaçariam.

Buracos Negros: Mais do que Apenas Devoradores Cósmicos

Os buracos negros são conhecidos por sua gravidade extrema, capazes de engolir tudo que se aproxima demais. Mas e se eles fossem mais do que apenas “aspiradores de pó” cósmicos? E se pudessem nos ajudar a encontrar a matéria escura? É exatamente isso que um estudo recente publicado na Physical Review Letters propõe. As regiões sombrias nas imagens de buracos negros, como as do M87* e Sagitário A* capturadas pelo EHT, podem funcionar como detectores ultra-sensíveis para essa substância invisível.

Jing Shu, da Universidade de Pequim, e Yifan Chen, do Instituto Niels Bohr, coautores do estudo, estão entusiasmados com essa nova perspectiva. Shu destaca o fascínio por instrumentos como o EHT, que nos permitem explorar ambientes extremos e desafiar as leis físicas conhecidas. Chen, por sua vez, sempre foi cativado pela ideia de usar buracos negros como “detectores de partículas”, pois sua gravidade extrema os torna concentradores naturais de matéria, criando um ponto de encontro único para a física de partículas, a gravidade e a observação astrofísica.

O “Quarto Escuro” Cósmico: A Sombra do Buraco Negro

O EHT não é um telescópio comum. Ele é uma rede global de observatórios de rádio que trabalham em conjunto para alcançar uma resolução equivalente ao tamanho da Terra, usando uma técnica chamada Interferometria de Linha de Base Muito Longa. Ele capta a radiação síncrotron, que é a luz produzida quando elétrons giram em espiral ao longo das intensas linhas de campo magnético perto de buracos negros supermassivos.

Para entender o que o EHT “vê”, os astrofísicos utilizam complexas simulações GRMHD (Magnetohidrodinâmica Relativística Geral). O modelo MAD (Magnetically Arrested Disk) tem sido o mais consistente com as observações do EHT. Ele descreve como fortes campos magnéticos penetram o disco de acreção (a “refeição” do buraco negro), regulando o fluxo de matéria e impulsionando jatos de energia.

O mais interessante é que o modelo MAD explica por que as sombras dos buracos negros parecem escuras: a maioria dos elétrons está no disco de acreção, enquanto as regiões dos jatos são pobres em partículas, criando um contraste nítido. Mas e se a matéria escura estivesse lá, injetando novas partículas que irradiam nessa região? Essa é a grande sacada!

Modelando a Aniquilação de Matéria Escura

A gravidade dos buracos negros supermassivos faz com que a matéria escura se concentre dramaticamente em suas proximidades, formando o que os físicos chamam de “pico de matéria escura”. Nessas regiões, a densidade da matéria escura pode ser ordens de magnitude maior do que em qualquer outro lugar da galáxia. E, como as taxas de aniquilação de matéria escura dependem do quadrado da densidade, essas densidades aumentadas poderiam produzir sinais detectáveis.

A equipe de pesquisa desenvolveu uma estrutura sofisticada que adiciona a física da matéria escura ao modelo MAD. Eles usaram simulações GRMHD e modelagem detalhada da propagação de partículas para entender como elétrons e pósitrons da aniquilação hipotética da matéria escura se comportariam nos campos magnéticos extraídos do modelo MAD.

Ao contrário de estudos anteriores que usavam modelos simplificados, essa abordagem é mais realista, considerando as configurações de campo magnético assimétricas. Shu explica que o que vemos nas imagens de buracos negros não é o buraco negro em si, mas a luz emitida por elétrons comuns no disco de acreção. Se partículas de matéria escura estivessem se aniquilando perto do buraco negro, elas produziriam elétrons e pósitrons extras, cuja radiação seria ligeiramente diferente da emissão normal.

A principal diferença estaria na distribuição espacial. No modelo MAD, os elétrons se concentram no disco de acreção, com poucas partículas nas regiões dos jatos. No entanto, elétrons e pósitrons da aniquilação da matéria escura seriam distribuídos de forma mais uniforme, fornecendo continuamente partículas mesmo onde os processos astrofísicos produzem poucos elétrons.

A Morfologia como Ferramenta de Investigação

O que torna essa pesquisa inovadora é a exploração da morfologia (a forma e estrutura) das imagens dos buracos negros, e não apenas o brilho total. Os pesquisadores exigiram que os sinais de aniquilação da matéria escura permanecessem abaixo da emissão astrofísica em cada ponto da imagem, especialmente na região da sombra interna.

“Ao comparar essas previsões com imagens reais do EHT no ‘quarto escuro’, podemos procurar por sinais sutis que podem revelar a matéria escura”, disse Shu. Essa abordagem morfológica é muito mais poderosa do que as restrições anteriores baseadas apenas na intensidade total, excluindo grandes regiões do espaço de parâmetros anteriormente inexplorado.

Perspectivas Futuras: Um Olhar Mais Profundo no Cosmos

O verdadeiro potencial dessa abordagem será revelado com as futuras atualizações do EHT. Melhorias prometem aumentar o alcance dinâmico em quase 100 vezes e alcançar uma resolução angular equivalente a aproximadamente um raio gravitacional, permitindo sondar mais profundamente as regiões mais escuras da sombra.

Chen explica que a atualização chave é a melhoria do alcance dinâmico do telescópio, sua capacidade de revelar detalhes muito tênues ao lado de características extremamente brilhantes. Pense no modo HDR (High Dynamic Range) dos smartphones, que realça detalhes em sombras escuras e realces brilhantes na mesma imagem.

Esses aprimoramentos podem permitir a detecção de matéria escura com seções transversais de aniquilação próximas ao valor relíquia térmica, um alvo teoricamente bem motivado, para massas de até aproximadamente 10 TeV.

Os pesquisadores vislumbram várias direções para expandir essa pesquisa. Shu afirma que a sombra do buraco negro não é apenas uma imagem estática; é um laboratório dinâmico e multicamadas. Além dos mapas de intensidade, os dados de polarização do EHT também abrem novas janelas, pois a polarização codifica como os campos magnéticos e o plasma moldam a radiação. Observações multifrequência também serão cruciais, permitindo aos pesquisadores determinar a fonte da radiação e distinguir os sinais de matéria escura dos fundos astrofísicos.

Referência: Yifan Chen et al. (2025). Illuminating Black Hole Shadows with Dark Matter Annihilation. Physical Review Letters. DOI: 10.1103/yxqg-363n.