Que cataclismo cósmico poderia ter dado origem ao neutrino mais energético já detectado pelo KM3NeT em 2023? Esta questão tem atormentado os astrofísicos desde esta notável descoberta. E agora uma equipe de teóricos da Universidade de Massachusetts (Estados Unidos) apresenta uma liderança ousada em um estudo publicado na revista Cartas de revisão física. O neutrino pode ser o produto da evaporação de um buraco negro primordial “quase extremo”, uma categoria de estrelas formada pouco depois do Big Bang, mas que nunca foi observada ainda…
Os eventos mais energéticos do cosmos
Pequeno flashback. No início de fevereiro de 2023, nas profundezas do Mediterrâneo, o detector subaquático KM3NeT registou um sinal extremamente raro: um brilho azulado resultante da interação entre um neutrino ultraenergético e um núcleo atómico. Serão necessários dois anos de análises para estabelecer as características do neutrino. Mas valeu a pena esperar: sua energia é estimada em 220 × 10^15 elétron-volts, ou 220 PeV, 30 vezes mais que o recorde anterior.
Resta determinar a sua origem. Estes neutrinos extremos estão geralmente associados aos ambientes mais violentos do cosmos: buracos negros supermassivos no coração de galáxias que absorvem matéria, fusões de estrelas de neutrões ou explosões de raios gama. Outra via é a dos chamados neutrinos cosmogénicos, produzidos quando raios cósmicos ultraenergéticos colidem com fotões da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, a luz fóssil emitida algumas centenas de milhares de anos após o Big Bang.
Mas nenhum fenómeno astrofísico violento foi identificado na direcção de onde veio o neutrino no momento da sua detecção. Nenhuma explosão de raios gama, nenhuma fusão de estrelas de nêutrons, nenhum sinal eletromagnético óbvio a acompanhou. Quanto à hipótese cosmogênica, ela assumiria a existência de um fluxo regular vindo de todas as direções do céu. No entanto, o evento 220 PeV permanece isolado…
Um buraco negro evapora
Por fim, outra estranheza intriga os pesquisadores: o IceCube, o gigantesco detector enterrado no gelo do Pólo Sul, em funcionamento desde 2010, não registrou nenhum evento de energia comparável, nem este famoso dia de fevereiro de 2023, nem qualquer outro. Confrontada com estas restrições, a nossa equipa de teóricos de Massachusetts propôs, portanto, uma hipótese capaz de preencher todos os requisitos. Segundo eles, o neutrino de 220 PeV poderia vir da explosão final de um buraco negro primordial. Esses objetos hipotéticos teriam se formado nas primeiras frações de segundo do Universo, bem antes das estrelas e galáxias.
O mais leve deles terminaria hoje a sua existência evaporando sob o efeito da radiação Hawking, um processo durante o qual um buraco negro perde gradualmente massa através da emissão de partículas. A ideia não é nova. Assim que a detecção foi anunciada, alguns pesquisadores consideraram que um buraco negro primordial no final da evaporação poderia estar na origem do sinal. Mas na sua fase terminal, tal objeto libertaria de facto um fluxo intenso de partículas de energia muito elevada, incluindo neutrinos. No entanto, as versões mais simples deste cenário colocam um problema sério: um buraco negro primordial “padrão” também deveria produzir uma abundância de raios gama e neutrinos de energia mais baixa, que deveriam ter sido detectados por outros observatórios…
Elétron escuro
Para contornar esta dificuldade, os investigadores exploraram variantes mais elaboradas. A ideia deles baseia-se numa propriedade raramente discutida: um buraco negro pode, em teoria, ter uma carga. É uma espécie de cópia da carga elétrica clássica, mas inclui uma versão hipotética e muito pesada do elétron, que a equipe chama de “elétron escuro”. Neste cenário, o buraco negro primordial evoluiria de forma diferente. Grande parte da sua existência ocorreria num estado denominado “quase extremo”, durante o qual a sua radiação é fortemente atenuada. Em seguida, emitiria muito poucas partículas de baixa energia.
Só no último momento, quando esta carga desaparece repentinamente, é que libertaria uma explosão de partículas extremamente energéticas, incluindo neutrinos capazes de atingir 200 PeV. Por outras palavras, este cenário ajudaria a explicar porque é que um neutrino excepcionalmente energético foi observado no Mediterrâneo, sem que um fluxo de eventos menos energéticos tivesse sido previamente registado pelo IceCube, que é particularmente sensível na faixa dos petaelétron-volts. O modelo de facto concentra a emissão numa janela de energia mais elevada – cerca de 100 a 200 PeV – onde o KM3NeT se destaca.
Uma abertura para a matéria escura
No entanto, a hipótese dos pesquisadores é um pouco estonteante. “Porque se tal explosão fosse observada, fornecer-nos-ia um catálogo definitivo de todas as partículas subatómicas existentes, desde aquelas que já observámos, como electrões, quarks e bósons de Higgs, até hipotéticas partículas de matéria escura.entusiasma-se a Universidade de Massachusetts num comunicado de imprensa. Infelizmente, não há nada nos dados atuais que confirme que tal buraco negro primordial carregado realmente exista.
Entre os descobridores do sinal, a cautela permanece, portanto, necessária. Véronique Van Elewyck, física da Universidade Paris Cité e membro da colaboração KM3NeT, lembra Ciência e Futuro que a ideia de um buraco negro primordial na origem do evento foi considerada muito cedo. “Este continua a ser um tema quente, mas hoje claramente não há consenso sobre um modelo capaz de explicar sozinho o evento KM3NeT. A intensa caça aos neutrinos continua, portanto, a fim de recolher outras pistas sobre a sua origem.