Em cosmologia, buracos negros primordiais (PBHs) são buracos negros hipotéticos que se formaram logo após o Big Bang. Na era inflacionária e no início do universo dominado pela radiação, bolsas extremamente densas de matéria subatômica podem ter sido compactadas a ponto de sofrer colapso gravitacional, criando buracos negros primordiais sem a compressão de supernova tipicamente necessária para criar buracos negros hoje. Como a criação de buracos negros primordiais seria anterior às primeiras estrelas, eles não estão limitados à estreita faixa de massa dos buracos negros estelares.

Em 1966, Yakov Zeldovich e Igor Novikov propuseram pela primeira vez a existência de tais buracos negros,^[1] enquanto o primeiro estudo aprofundado foi conduzido por Stephen Hawking em 1971.^[2] No entanto, sua existência permanece hipotética. Em setembro de 2022, buracos negros primordiais foram propostos por alguns pesquisadores para explicar os pontinhos vermelhos, galáxias inesperadamente grandes formadas muito cedo no tempo cosmológico, conforme observado pelo Telescópio Espacial James Webb (JWST).^[3][4]

Os PBHs têm sido considerados há muito tempo possivelmente importantes, senão componentes quase exclusivos da matéria escura,^[5][6][7][8] esta última perspectiva tendo sido reforçada por observações de ondas gravitacionais do LIGO/Virgo interferometer e do JWST.^[9][10] As primeiras restrições sobre PBHs como matéria escura geralmente assumiam que a maioria dos buracos negros teria massa similar ou idêntica ("monocromática"), o que foi refutado pelos resultados do LIGO/Virgo,^[11][12][13] e sugestões adicionais de que a distribuição real de massa dos buracos negros é amplamente platicúrtica foram evidentes a partir das observações do JWST de galáxias grandes e primitivas.^[9][10] Análises recentes concordam, sugerindo uma distribuição de massa ampla com uma moda em torno de uma massa solar.^[14]

Muitos PBHs podem ter a massa de um asteroide, mas o tamanho de um átomo de hidrogênio, e estar viajando a velocidades enormes, com um provavelmente estando dentro do Sistema Solar em qualquer momento. Muito provavelmente, tais PBHs passariam diretamente através de uma estrela "como uma bala", sem quaisquer efeitos significativos sobre a estrela. No entanto, aqueles que viajam lentamente teriam uma chance de serem capturados pela estrela.^[15] Stephen Hawking propôs que o Sol pode abrigar tal PBH.^[16]

História

Dependendo do modelo, os buracos negros primordiais podem ter massas iniciais variando de 10⁻⁸ kg^[17] (as chamadas relíquias de Planck) a mais de milhares de massas solares. No entanto, buracos negros primordiais com massas inferiores a 10¹² kg não teriam sobrevivido até o presente devido à radiação Hawking, que causa evaporação completa em um tempo muito menor que a idade do Universo.^[18] Os buracos negros primordiais se formam antes da nucleossíntese responsável pela matéria bariônica observada,^[19] e, como tal, são candidatos plausíveis à matéria escura.^{[10][5][11][12][8][13][9]} Os buracos negros primordiais também são bons candidatos para serem as sementes dos buracos negros supermassivos no centro de galáxias massivas, bem como de buracos negros de massa intermediária.^[20][3][4]

Buracos negros primordiais pertencem à classe dos objetos massivos compactos de halo (MACHOs). Eles são naturalmente um bom candidato à matéria escura: são (quase) sem colisões e estáveis (se suficientemente massivos), têm velocidades não relativísticas e se formam muito cedo na história do Universo (tipicamente menos de um segundo após o Big Bang).^[21] No entanto, os críticos sustentam que limites rigorosos sobre sua abundância foram estabelecidos a partir de várias observações astrofísicas e cosmológicas, o que excluiria que eles contribuíssem significativamente para a matéria escura na maior parte da faixa de massa plausível.^[22] No entanto, novas pesquisas forneceram novamente a possibilidade, em que esses buracos negros estariam em aglomerados que se dispersam em tempos posteriores, com a maioria dos buracos negros se formando na época da matéria QCD em torno de 1 ou 30 massas solares.^[23]

Em março de 2016, um mês após o anúncio da detecção pelo Advanced LIGO/VIRGO de ondas gravitacionais emitidas pela fusão de dois buracos negros de 30 massas solares (cerca de 6×10³¹ kg), três grupos de pesquisadores propuseram independentemente que os buracos negros detectados tinham uma origem primordial.^{[24][25][26][27]} Dois dos grupos descobriram que as taxas de fusão inferidas pelo LIGO são consistentes com um cenário em que toda a matéria escura é feita de buracos negros primordiais, se uma fração não desprezível deles estiver de alguma forma aglomerada dentro de halos, como galáxias anãs tênues ou aglomerados globulares, como esperado pela teoria padrão da formação de estruturas cósmicas. O terceiro grupo afirmou que essas taxas de fusão são incompatíveis com um cenário de toda-matéria-escura e que os buracos negros primordiais poderiam contribuir apenas com menos de um por cento da matéria escura total. A massa inesperadamente grande dos buracos negros detectados pelo LIGO reavivou fortemente o interesse em buracos negros primordiais com massas na faixa de 1 a 100 massas solares. Ainda é debatido se essa faixa é excluída ou não por outras observações, como a ausência de microlenteamento de estrelas,^[28] as anisotropias da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, o tamanho de galáxias anãs tênues e a ausência de correlação entre fontes de raios-X e rádio em direção ao centro galáctico.

Em maio de 2016, Alexander Kashlinsky sugeriu que as correlações espaciais observadas nas radiações de fundo não resolvidas de raios gama e raios X poderiam ser devidas a buracos negros primordiais com massas semelhantes, se sua abundância for comparável à da matéria escura.^[13]

Em agosto de 2019, foi publicado um estudo que abriu a possibilidade de compor toda a matéria escura com buracos negros primordiais de massa de asteroides (3,5 × 10⁻¹⁷ – 4 × 10⁻¹² massas solares, ou 7 × 10¹³ – 8 × 10¹⁸ kg).^[29]

Em setembro de 2019, um relatório de James Unwin e Jakub Scholtz propôs a possibilidade de um buraco negro primordial (PBH) com massa de 5 a 15 M_Terra (massas terrestres), cerca do diâmetro de uma bola de tênis, existindo no Cinturão de Kuiper estendido para explicar as anomalias orbitais que são teorizadas como resultado de um 9º planeta no sistema solar.^[30][31]

Em outubro de 2019, Derek Inman e Yacine Ali-Haïmoud publicaram um artigo no qual descobriram que as velocidades não lineares que surgem da formação de estruturas são muito pequenas para afetar significativamente as restrições que surgem das anisotropias da CMB.^[32]

Em setembro de 2021, a colaboração NANOGrav anunciou que havia encontrado um sinal de baixa frequência que poderia ser atribuído a ondas gravitacionais e potencialmente poderia estar associado a PBHs.^[33]

Em setembro de 2022, buracos negros primordiais foram usados para explicar as inesperadas galáxias muito grandes e antigas (de alto z) descobertas pelo Telescópio Espacial James Webb.^[3][4]

Em 26 de novembro de 2023, foram relatadas evidências, pela primeira vez, de uma galáxia com buraco negro supermassivo (O.B.G.), o resultado da "formação de sementes de buracos negros pesados por colapso direto", uma forma alternativa de produzir um buraco negro diferente do colapso de uma estrela morta. Esta descoberta foi encontrada em estudos de UHZ1, uma galáxia muito antiga contendo um quasar, pelo Observatório de Raios-X Chandra e pelo Telescópio Espacial James Webb.^[34][35]

Em 2024, uma revisão de Bernard Carr e colaboradores concluiu que PBHs formados na época da cromodinâmica quântica (QCD) antes de 10^–5 segundos após o Big Bang, resultando em uma distribuição de massa amplamente platicúrtica hoje, "com um número de picos distintos, sendo o mais proeminente em torno de uma massa solar."^[14]

Em novembro de 2025, a colaboração LIGO/Virgo/KAGRA relatou uma onda gravitacional incomum de uma fusão de buracos negros com massas de fonte pequenas o suficiente para sugerir evidência de uma população de buracos negros de massa subsolar, como buracos negros primordiais formados no universo primitivo.^[36][37][38] Como não houve ondas gravitacionais detectadas em z>1 (>6 Gya), e a sensibilidade a colisões de menor massa diminui com a distância, atualmente não somos capazes de detectar colisões na metade mais antiga da idade do universo.^[39]

No final de 2025, observações de "pontinhos vermelhos" (LRDs) de alto desvio para o vermelho e galáxias primitivas pelo JWST forneceram restrições que favorecem a existência de sementes de buracos negros massivos, como as de PBHs, em vez de modelos padrão de remanescentes estelares. Em agosto de 2025, Juodžbalis et al. relataram uma medição de massa dinâmica direta de um buraco negro em um LRD fortemente lenteado no desvio para o vermelho z=7,04, encontrando uma massa central de cerca de 50 milhões de massas solares, superando as estrelas de sua galáxia. Os autores o descrevem como consistente com a formação no universo primitivo.^[40] Posteriormente, Tripodi et al. identificaram um núcleo galáctico ativo no LRD "CANUCS-LRD-z8.6" em cerca de z=8,6, contendo um buraco negro de aproximadamente 10⁸ massas solares que cresceu rapidamente antes de sua galáxia hospedeira estabelecer massa estelar significativa, consistente com formação extremamente primitiva ou colapso direto.^[41] Simultaneamente, Chavez Ortiz et al. apresentaram evidências de um buraco negro ativo de ~10^7,2 massas solares na galáxia GHZ2 em z=12,34, menos de 400 milhões de anos após o Big Bang — o buraco negro mais distante identificado até hoje — desafiando ainda mais os limites de acreção padrão e apoiando mecanismos de formação rápida.^[42]

Formação

Buracos negros primordiais poderiam ter se formado no Universo muito primitivo (menos de um segundo após o Big Bang) durante a era inflacionária, ou no início da era dominada pela radiação. O ingrediente essencial para a formação de um buraco negro primordial é uma flutuação na densidade do Universo, induzindo seu colapso gravitacional. Tipicamente, são necessários contrastes de densidade ${\displaystyle \delta \rho /\rho \sim 0,1}$ (onde ${\displaystyle \rho }$ é a densidade do Universo) para formar um buraco negro.^[44]

Implicações

Formação de galáxias

Como os buracos negros primordiais não precisam necessariamente ser pequenos (eles podem ter qualquer tamanho), eles podem ter contribuído para a formação de galáxias, como aquelas formadas mais cedo do que o esperado.^{[3][4][40][42]}

Limites observacionais e estratégias de detecção

Uma variedade de observações foi interpretada para estabelecer limites sobre a abundância e massa de buracos negros primordiais:

Vida útil, radiação Hawking e raios gama: Uma maneira de detectar buracos negros primordiais, ou restringir sua massa e abundância, é por meio de sua radiação Hawking. Stephen Hawking teorizou em 1974 que um grande número desses buracos negros primordiais menores poderia existir na Via Láctea em nossa galáxia na região do halo. Todos os buracos negros são teorizados para emitir radiação Hawking a uma taxa inversamente proporcional à sua massa. Como essa emissão diminui ainda mais sua massa, buracos negros com massa muito pequena experimentariam uma evaporação descontrolada, criando uma explosão de radiação na fase final, equivalente a uma bomba de hidrogênio produzindo milhões de megatons de força explosiva.^[58] Um buraco negro comum (de cerca de 3 massas solares) não pode perder toda a sua massa dentro da idade atual do universo (em vez disso, levando cerca de 10⁶⁹ anos para fazê-lo, mesmo sem qualquer matéria caindo). No entanto, como os buracos negros primordiais não são formados pelo colapso do núcleo estelar, eles podem ser de qualquer tamanho. Um buraco negro com uma massa de cerca de 10¹¹ kg teria uma vida útil aproximadamente igual à idade do universo. Se tais buracos negros de baixa massa fossem criados em número suficiente no Big Bang, deveríamos ser capazes de observar explosões de alguns daqueles que estão relativamente próximos em nossa própria galáxia. O satélite Fermi Gamma-ray Space Telescope da NASA, lançado em junho de 2008, foi projetado em parte para procurar tais buracos negros primordiais em evaporação. Os dados do Fermi estabeleceram o limite de que menos de um por cento da matéria escura poderia ser composta de buracos negros primordiais com massas de até 10¹³ kg. Buracos negros primordiais em evaporação também teriam tido um impacto na nucleossíntese do Big Bang e mudariam as abundâncias de elementos leves no Universo. No entanto, se a radiação Hawking teórica não existir de fato, tais buracos negros primordiais seriam extremamente difíceis, se não impossíveis, de detectar no espaço devido ao seu pequeno tamanho e falta de grande influência gravitacional.

Anisotropias de temperatura na radiação cósmica de fundo em micro-ondas: A acreção de matéria em buracos negros primordiais no Universo primitivo deveria levar a uma injeção de energia no meio que afeta a história de recombinação do Universo. Este efeito induz assinaturas na distribuição estatística das anisotropias da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB). As observações do Planck da CMB excluem que buracos negros primordiais com massas na faixa de 100 a 10⁴ massas solares contribuam de forma importante para a matéria escura,^[59] pelo menos no modelo conservador mais simples. Ainda é debatido se as restrições são mais fortes ou mais fracas em cenários mais realistas ou complexos.

Assinaturas de raios gama da aniquilação da matéria escura: Se a matéria escura no Universo estiver na forma de partículas massivas de interação fraca ou WIMPs, os buracos negros primordiais acumulariam um halo de WIMPs ao seu redor no universo primitivo.^[60] A aniquilação de WIMPs no halo leva a um sinal no espectro de raios gama que é potencialmente detectável por instrumentos dedicados, como o Fermi Gamma-ray Space Telescope.^[61]

No futuro, novos limites serão estabelecidos por várias observações:

• O radiotelescópio Square Kilometre Array (SKA) investigará os efeitos dos buracos negros primordiais na história da reionização do Universo, devido à injeção de energia no meio intergaláctico, induzida pela acreção de matéria em buracos negros primordiais.^[62]
• O LIGO, VIRGO e futuros detectores de ondas gravitacionais detectarão novos eventos de fusão de buracos negros, a partir dos quais se poderia reconstruir a distribuição de massa dos buracos negros primordiais.^[25] Esses detectores poderiam permitir distinguir inequivocamente entre origens primordiais ou estelares se eventos de fusão envolvendo buracos negros com massa inferior a 1,4 massa solar forem detectados. Outra maneira seria medir a grande excentricidade orbital de binários de buracos negros primordiais.^[63]
• Detectores de ondas gravitacionais, como a Laser Interferometer Space Antenna (LISA) e matrizes de temporização de pulsares, também investigarão o fundo estocástico de ondas gravitacionais emitidas por binários de buracos negros primordiais quando ainda estão orbitando relativamente distantes um do outro.^[64]
• Novas detecções de galáxias anãs tênues e observações de seus aglomerados estelares centrais poderiam ser usadas para testar a hipótese de que essas estruturas dominadas por matéria escura contêm buracos negros primordiais em abundância.
• O monitoramento das posições e velocidades das estrelas dentro da Via Láctea poderia ser usado para detectar a influência de um buraco negro primordial próximo.
• Foi sugerido^[65][66] que um pequeno buraco negro passando pela Terra produziria um sinal acústico detectável. Devido ao seu diâmetro minúsculo e grande massa em comparação com um núcleon, bem como sua velocidade relativamente alta, um buraco negro primordial simplesmente atravessaria a Terra praticamente sem impedimentos com apenas alguns impactos em núcleons, saindo do planeta sem efeitos adversos.
• Outra maneira de detectar buracos negros primordiais poderia ser observando ondulações nas superfícies das estrelas. Se o buraco negro passasse por uma estrela, sua densidade causaria vibrações observáveis.^[67][68]
• Monitoramento de quasares no comprimento de onda de micro-ondas e detecção da característica de óptica de onda do microlenteamento gravitacional por buracos negros primordiais.^[69]
• Observação de desvios no movimento de objetos do Sistema Solar, como o planeta Marte, que poderiam surgir do trânsito rápido de um buraco negro primordial através do Sistema Solar interno.^[70]

Técnicas de medição

Nenhuma dessas instalações é focada na detecção direta de PBHs por serem eles um fenômeno teórico, mas as informações coletadas em cada experimento respectivo fornecem dados secundários que podem ajudar a fornecer insights e restrições sobre a natureza dos PBHs.^[10]

Teoria das cordas

A teoria da relatividade geral prediz que os menores buracos negros primordiais deveriam "evaporar" na atualidade, mas se há uma quarta dimensão espacial — como previsto pela teoria das cordas — ele deveriam afetar como a gravidade atua em pequenas escalas e "reduziria a evaporação substancialmente."^[71] Isto significaria que haveria alguns milhares de buracos negros em nossa galáxia. Para testar esta teoria, a NASA colocou o telescópio espacial Fermi em órbita no dia 11 de junho de 2008. Se ele observar padrões específicos de pequenas interferências dentro das erupções de raios gama; seria a primeira evidência indireta dos buracos negros primordiais e da teoria das cordas.^[72]

Diferença em relação a buracos negros de colapso direto

Um buraco negro de colapso direto é o resultado do colapso de regiões de gás excepcionalmente densas e grandes, após a era dominada pela radiação, enquanto os buracos negros primordiais seriam resultado do colapso direto de energia, matéria ionizada, ou ambos, durante as eras inflacionária ou dominada pela radiação.^[73]

Referências

Leitura adicional

• Yoo, Chul-Moon (2022). «The Basics of Primordial Black Hole Formation and Abundance Estimation». Galaxies. 10 (6): 112. Bibcode:2022Galax..10..112Y. arXiv:2211.13512. doi:10.3390/galaxies10060112 

Ligações externas

• «Buracos Negros Primordiais - em www.on.br - Observatório Naciobal»