Assinaturas eletromagnéticas de buracos negros primordiais no Sistema Solar

Buracos negros primordiais (PBHs) na faixa de massa de asteroides, com massas típicas de $10^{17}\, {\rm g}\lesssim M \lesssim 10^{23}\, {\rm g}$, têm atraído atenção significativa como um candidato viável para a matéria escura. A busca por evidências desses objetos cósmicos é crucial para a compreensão da composição do universo e para testar modelos de cosmologia primordial. A natureza exata da matéria escura permanece um dos maiores mistérios da física moderna, e os PBHs representam uma das poucas hipóteses que não exigem a introdução de novas partículas elementares.

As frequências de pico dos fótons emitidos pela radiação Hawking de PBHs de massa de asteroide variam amplamente, abrangendo desde o infravermelho até as bandas de raios gama de alta energia. Essa ampla gama espectral oferece diversas janelas de observação para a detecção desses objetos, utilizando diferentes tipos de telescópios e detectores. A intensidade e o espectro da radiação Hawking dependem diretamente da massa do PBH, com objetos de menor massa emitindo radiação mais energética e em frequências mais altas, tornando-os potencialmente mais detectáveis por instrumentos sensíveis a raios gama.

Neste estudo, calculamos as taxas de trânsito locais esperadas para distribuições de massa estendidas de PBHs que poderiam abranger toda a matéria escura. Nossa análise incluiu a avaliação das perspectivas de detecção de fótons provenientes da radiação Hawking, tanto de trânsitos locais de PBHs através do Sistema Solar interno quanto de explosões de PBHs nas bordas externas do Sistema Solar. Essa abordagem dupla permite cobrir uma vasta gama de cenários de detecção, desde eventos próximos e de curta duração até fenômenos mais distantes e potencialmente mais energéticos.

Para essa avaliação, consideramos uma variedade de instrumentos terrestres e espaciais, tanto existentes quanto propostos, que são sensíveis a fótons em um espectro que vai da banda de rádio aos raios gama de energia ultra-alta. Entre os instrumentos analisados, destacam-se observatórios de raios gama como o HAWC e o LHAASO, além de satélites como o AMEGO-X, que representam a vanguarda da tecnologia de detecção de partículas de alta energia. A diversidade desses instrumentos é crucial para maximizar as chances de detecção, dada a ampla gama de frequências de emissão dos PBHs.

Nossas descobertas indicam que instrumentos propostos, como o satélite AMEGO-X, possuem a capacidade de detectar com segurança trânsitos de PBHs dentro de uma distância de ${\it O} (0, 1 \, {\rm AU})$ da Terra. Por outro lado, os observatórios HAWC e LHAASO são ambos sensíveis a explosões de PBHs que ocorrem a distâncias de até ${\it O}(0, 1 \, {\rm pc})$. Esses resultados sublinham o potencial de futuras missões e observatórios para fornecer evidências diretas da existência de PBHs, contribuindo significativamente para a pesquisa da matéria escura.

Concluímos nossa análise considerando especificamente possíveis assinaturas eletromagnéticas associadas a uma explosão de PBH a cerca de $10^3\, {\rm AU}$ da Terra. Tal evento foi sugerido como uma fonte potencial para o evento de neutrino de energia ultra-alta KM3-230213A, que atingiu aproximadamente $\sim 220 \, {\rm TeV}$. A investigação de correlações entre eventos de neutrinos de alta energia e potenciais explosões de PBHs pode abrir novas avenidas para a detecção e caracterização desses objetos enigmáticos, oferecendo uma perspectiva multifacetada para a astrofísica de partículas.