Ao aplicar restrições da gravidade quântica ao cenário da chamada dimensão escura, um grupo de físicos demonstrou que nenhum mecanismo conhecido consegue produzir buracos negros primordiais quadridimensionais; alguns desses objetos podem estar desaparecendo neste exato momento e poderiam ser responsáveis pelo neutrino de 220 PeV registrado pelo detector subaquático KM3NeT.

A hipótese de que buracos negros possam ter surgido sem passar pelo colapso de uma estrela remonta a 1967, quando Yakov Zel’dovich e Igor Novikov propuseram que flutuações de densidade no cosmos recém‑nascido poderiam ter colapsado sob seu próprio peso. Stephen Hawking retomou a ideia em 1971, e George Chapline sugeriu, em 1975, que tais corpos poderiam constituir a matéria escura, a componente invisível que mantém as galáxias coesas e cuja natureza permanece desconhecida meio século depois.

A atração do conceito reside em sua economia: um buraco negro primordial não exige partículas novas, apenas a gravidade agindo sobre a matéria já existente, funcionando como uma cápsula do tempo que carrega informações sobre condições que nenhum telescópio pode observar diretamente.

Praticamente todos os estudos sobre esses objetos partem da premissa de que o buraco negro é um corpo de quatro dimensões — três espaciais e uma temporal — descrito pela relatividade geral de Einstein. Para testar essa premissa, Luis Anchordoqui, da City University of New York e do Museu Americano de História Natural, Alek Bedroya, da Princeton Gravity Initiative, e Dieter Lüst, do Instituto Max Planck de Física e da Universidade Ludwig Maximilian de Munique, decidiram colocar a hipótese à prova.

A motivação dos autores vem de uma linha de pesquisa que busca descobrir quais teorias físicas podem coexistir com a gravidade quântica. Essa linha, conhecida como programa do swampland — ou “pântano”, termo cunhado por Cumrun Vafa, de Harvard, para designar teorias aparentemente consistentes no papel, mas que não podem ser completadas em uma teoria quântica da gravidade — contrapõe‑se à “paisagem”, conjunto de construções realmente admitidas pela gravidade quântica.

Critérios do programa, como a conjectura da distância, afirmam que valores extremos de certos parâmetros vêm acompanhados de uma torre de partículas leves. Em 2022, Miguel Montero, Cumrun Vafa e Irene Valenzuela aplicaram esses critérios ao valor minúsculo da constante cosmológica, que mede cerca de 10⁻¹²² em unidades de Planck, correspondendo à energia escura. Concluíram que a torre de partículas leves exigida seria explicada de forma mais natural se existisse uma dimensão espacial extra com tamanho da ordem de um micrômetro.

Um micrômetro — milésimo de milímetro, aproximadamente o tamanho de uma bactéria comum — parece enorme para uma dimensão oculta, já que a teoria das cordas tradicional enrola suas dimensões extras em escalas próximas ao comprimento de Planck, cerca de 10⁻³⁵ metro, quase trinta ordens de grandeza menores.

No cenário da “dark dimension”, todas as partículas do Modelo Padrão, dos elétrons aos glúons, permanecem confinadas a uma brane (ou membrana) tridimensional imersa em um espaço de cinco dimensões; somente a gravidade se propaga ao longo da direção extra. Experimentos de bancada que medem a lei do inverso do quadrado em distâncias de algumas dezenas de micrômetros ainda não detectaram desvios, o que é compatível com a previsão e mantém a hipótese ao alcance da próxima geração de aparatos.

A presença da dimensão escura tem uma consequência inevitável: quando a gravidade se propaga em um espaço enrolado, surgem cópias mais pesadas do gráviton, as chamadas excitações de Kaluza‑Klein, cada uma correspondendo a um modo de vibração ao longo do círculo extra. A brane quente do universo jovem irradia esses grávitons massivos continuamente, e, por interagirem apenas gravitacionalmente, eles não se aniquilam nem decaem com facilidade.

Trabalhos de Eduardo Gonzalo, Miguel Montero, Georges Obied e Cumrun Vafa, publicados em 2023, e de Obied, Cora Dvorkin, Gonzalo e Vafa, em 2024, mostraram que essa população de grávitons se comporta como matéria escura, realizando concretamente o que Keith Dienes e Brooks Thomas chamam de matéria escura dinâmica — um conjunto de componentes com tempos de vida variados, em vez de uma única partícula.

A promessa desse cenário é unificadora: a partir da pequenez da constante cosmológica derivam‑se a matéria escura, a escala da gravidade e, como será mostrado, a natureza dos buracos negros primordiais.

Foi nesse contexto que Anchordoqui, Lüst e Ignatios Antoniadis revisitaram a formação desses objetos. Em artigos de 2022 e 2024, o trio já havia investigado o que ocorreria se a matéria escura fosse constituída por buracos negros de cinco dimensões, analisando como tais corpos poderiam surgir e evoluir no universo jovem.

Se todos os buracos negros primordiais forem, de fato, objetos de cinco dimensões, nenhum processo conhecido poderia gerá‑los, reforçando a necessidade de novas física além do Modelo Padrão. Além disso, a possibilidade de que alguns estejam evaporando agora oferece uma explicação natural para o neutrino de 220 PeV detectado pelo KM3NeT, conectando a física de alta energia aos vestígios cosmológicos.

Como já destacamos em nossa cobertura sobre o crescimento de buracos negros sem necessidade de fusões galácticas, a natureza dos buracos negros continua a surpreender, e a hipótese de uma dimensão escura pode representar o próximo grande salto na compreensão desses enigmas cósmicos.

Com informacoes de Space Today.