Restrições na abundância de buracos negros primordiais usando desvios de parâmetros de pulsares

Buracos negros primordiais (PBHs) representam uma hipótese atraente para explicar a origem de buracos negros binários (BBHs) observados por detectores de ondas gravitacionais terrestres, particularmente aqueles cujas massas se situam na lacuna teórica. Essa lacuna de massa, que se estende aproximadamente de 50 a 150 massas solares, é um desafio para modelos astrofísicos convencionais de formação de buracos negros estelares, tornando os PBHs uma alternativa convincente. A detecção de BBHs com massas dentro ou próximas a essa faixa por colaborações como LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) tem impulsionado a pesquisa sobre a viabilidade dos PBHs como constituintes significativos do universo.

A formação de PBHs no Universo primitivo, impulsionada por perturbações escalares significativas, tem uma consequência inevitável: a geração de ondas gravitacionais induzidas por escalar (SIGWs). Essas ondas gravitacionais secundárias são um subproduto direto dos processos cosmológicos que poderiam ter levado à criação de PBHs. A intensidade e o espectro dessas SIGWs estão intrinsecamente ligados às condições do Universo primordial e aos mecanismos de formação dos PBHs, oferecendo uma janela única para investigar a física do cosmos em suas fases mais iniciais.

As SIGWs, conforme previsto teoricamente, atingem seu pico de energia na banda de sub-nanohertz. Essa faixa de frequência é particularmente interessante porque se manifesta de forma secular como variações mensuráveis na segunda derivada dos períodos de rotação dos pulsares, conhecidas como 'jerks' ou movimentos bruscos. Pulsares, estrelas de nêutrons altamente magnetizadas e em rotação rápida, emitem feixes de radiação que varrem a Terra, funcionando como relógios cósmicos de precisão extraordinária. Pequenas perturbações em seus períodos de rotação podem ser detectadas com grande sensibilidade por meio de observatórios de pulsares, tornando-os detectores naturais de ondas gravitacionais de baixa frequência.

Neste contexto, o presente estudo representa um avanço significativo ao realizar a primeira pesquisa sistemática por SIGWs utilizando desvios nos parâmetros de pulsares. A metodologia empregada envolve a análise detalhada de dados de temporização de pulsares, buscando as assinaturas características que as SIGWs imprimiriam nos períodos de rotação observados. A precisão dos dados de temporização de pulsares, acumulados ao longo de décadas por redes de temporização de pulsares (PTAs), permite a detecção de variações extremamente sutis, abrindo um novo caminho para testar modelos cosmológicos e a existência de PBHs.

Os resultados desta investigação estabelecem um limite superior de 95% de nível de confiança na abundância de PBHs, denotada por $f_{\mathrm{PBH}}$. Este limite quantifica a fração da matéria escura que poderia ser composta por PBHs, com base na ausência de um sinal detectável de SIGWs nos dados analisados. A obtenção de um limite tão rigoroso é crucial para restringir os modelos teóricos de formação de PBHs e para avaliar sua contribuição potencial para a matéria escura do universo. A ausência de um sinal claro de SIGWs, dentro da sensibilidade atual dos detectores de pulsares, impõe restrições importantes sobre a densidade de energia dessas ondas e, consequentemente, sobre a abundância de PBHs.

As implicações desses achados são profundas, especialmente no que tange à interpretação das detecções de BBHs pelas Colaborações LIGO-Virgo-KAGRA (LVK). Nossos resultados desfavorecem fortemente uma origem puramente primordial para os BBHs atualmente detectados pelo LVK. Embora a existência de PBHs não seja completamente descartada, a abundância necessária para explicar a totalidade ou uma fração substancial dos BBHs observados parece ser incompatível com os limites impostos pela busca por SIGWs. Isso sugere que a maioria dos BBHs detectados provavelmente se forma através de canais astrofísicos convencionais, como a evolução de estrelas massivas em sistemas binários.

Este estudo não apenas fornece restrições cruciais sobre a abundância de buracos negros primordiais, mas também demonstra o poder das redes de temporização de pulsares como ferramentas para sondar o Universo primordial e a física de ondas gravitacionais de baixa frequência. A continuidade das observações e o aprimoramento das técnicas de análise prometem refinar ainda mais esses limites, potencialmente revelando a presença de SIGWs ou impondo restrições ainda mais rigorosas sobre a cosmologia de PBHs. A busca por essas assinaturas cósmicas continua sendo uma área vibrante e essencial da pesquisa astrofísica e cosmológica.