A matéria escura, a mais famosa hóspede invisível do universo, acredita-se constituir a maior parte da matéria no cosmos - mas ninguém pode vê-la, tocá-la ou fazê-la confirmar presença. Ao contrário da matéria comum, ela se recusa a interagir com a luz ou forças eletromagnéticas, deixando a gravidade como a única maneira conhecida de detectar sua presença. Agora, pesquisadores acham que buracos negros em colisão podem finalmente dar a essa substância elusiva um motivo para se mostrar.

Físicos do MIT e de várias instituições europeias desenvolveram um método para detectar possíveis sinais de matéria escura escondidos dentro de ondas gravitacionais - aquelas ondulações no espaço-tempo criadas quando objetos massivos como buracos negros espiralam juntos e se fundem. Se esses buracos negros viajarem através de nuvens densas de matéria escura antes de colidir, as ondas gravitacionais resultantes poderiam carregar traços sutis dessa interação, como uma impressão digital cósmica em uma janela. A equipe testou sua abordagem usando dados publicamente disponíveis do LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), a rede internacional de observatórios de ondas gravitacionais que monitora fusões de buracos negros e outros eventos cósmicos distantes.

Os pesquisadores analisaram sinais das três primeiras campanhas de observação do LVK, focando em 28 dos eventos de ondas gravitacionais mais claros detectados até agora. Para 27 desses eventos, os sinais corresponderam ao que os cientistas esperariam de buracos negros se fundindo no espaço vazio - negócios como de costume no vácuo. Mas um sinal, conhecido como GW190728, parecia diferente. De acordo com a análise da equipe, o padrão dessa onda gravitacional pode conter evidências de uma interação com matéria escura. Os pesquisadores enfatizam que isso não conta como uma descoberta confirmada - mais como uma pista promissora em um caso frio cósmico.

"Sabemos que a matéria escura está ao nosso redor. Ela só precisa ser densa o suficiente para vermos seus efeitos", diz Josu Aurrekoetxea, pós-doutorando no Departamento de Física do MIT. "Buracos negros fornecem um mecanismo para aumentar essa densidade, que agora podemos procurar analisando as ondas gravitacionais emitidas quando eles se fundem." As descobertas aparecem na Physical Review Letters, coautorada por Aurrekoetxea, o membro do LVK Soumen Roy da Université Catholique de Louvain (UCLouvain) na Bélgica, Rodrigo Vicente da Universidade de Amsterdã, Katy Clough da Queen Mary University of London e Pedro Ferreira da Universidade de Oxford.

A matéria escura continua sendo um dos maiores constrangimentos da física - os cientistas inferem sua existência porque a gravidade ao redor das galáxias parece mais forte do que a matéria visível sozinha pode explicar, e observações de lentes gravitacionais mostram uma massa extra curvando a luz. Estimativas atuais sugerem que a matéria escura pode representar mais de 85% da matéria no universo, mas os pesquisadores ainda não sabem o que ela realmente é. Uma forma proposta envolve partículas extremamente leves chamadas partículas "escalares leves", que teorias sugerem podem se comportar como ondas coordenadas perto de buracos negros. Cientistas acreditam que quando essas ondas encontram um buraco negro em rotação rápida, a energia rotacional do buraco negro pode ser transferida para as ondas de matéria escura, aumentando dramaticamente sua densidade - um processo conhecido como superradiância, que foi comparado a bater creme até virar manteiga. (Não temos certeza se matéria escura tem gosto de manteiga, mas a analogia se sustenta.) Se a densidade se tornar alta o suficiente, a matéria escura poderia alterar as ondas gravitacionais produzidas quando buracos negros colidem.

Para investigar isso, os pesquisadores construíram simulações detalhadas de fusões de buracos negros sob muitas condições diferentes, variando fatores como as massas e tamanhos dos buracos negros, a quantidade de matéria escura ao redor e sua densidade. Usando essas simulações, a equipe previu como as ondas gravitacionais apareceriam se buracos negros se fundissem dentro de um ambiente denso de matéria escura em vez de no vácuo, e levaram em conta como essas ondas mudariam ao viajar milhões de anos-luz até a Terra. Comparando suas previsões com observações reais do LVK, GW190728 foi o único evento entre 28 que mostrou ag