Buracos Negros Primordiais e Ondas Gravitacionais de Redes de Monopólos em Regime de Escala

Monopólos com acoplamentos de calibre suficientemente fracos, ou de simetrias globais, podem formar redes em regime de escala no Universo primordial. A densidade média de energia dessas redes acompanha o fundo cosmológico, um comportamento que as torna candidatas interessantes para a produção de fenômenos astrofísicos. Este estudo investiga as implicações cosmológicas da evolução dessas redes, focando na formação de buracos negros primordiais (PBHs) e na geração de ondas gravitacionais (GWs). A compreensão desses processos é crucial para explorar a física do Universo primordial e para buscar assinaturas observacionais que possam validar ou refutar modelos teóricos.

Neste trabalho, realizamos simulações de rede clássica para estimar as sobredensidades de energia que surgem nessas redes. Nossos resultados indicam que buracos negros primordiais (PBHs) com um amplo espectro de massa podem ser produzidos durante a evolução dessas redes, desde que o valor esperado de Higgs $v$ satisfaça a condição $v\gtrsim 0, 1 M_{\rm Pl}$. A formação desses PBHs é impulsionada pela realização estocástica do número de monopólos em regiões do tamanho do horizonte de Hubble, o que gera as sobredensidades necessárias para o colapso gravitacional. Esse mecanismo oferece uma via para a produção de PBHs que pode ser testada por observações futuras.

Além da formação de PBHs, demonstramos que ondas gravitacionais (GWs) são geradas simultaneamente pela dinâmica de escala dessas redes de monopólos. Os espectros dessas ondas gravitacionais são correlacionados com os espectros de massa dos PBHs produzidos, o que representa uma assinatura crucial para o cenário proposto. As amplitudes previstas para essas GWs são potencialmente detectáveis por observatórios de ondas gravitacionais de próxima geração, oferecendo uma oportunidade única para testar a existência e as propriedades dessas redes de monopólos no Universo primordial. A detecção conjunta de PBHs e GWs com espectros correlacionados forneceria uma evidência robusta para este modelo.

Um aspecto particularmente interessante surge se o regime de escala for encerrado pela massa do bóson de calibre para o monopólo medido. Sob essas condições, uma fração não desprezível dos PBHs formados pode transportar carga magnética. Prevemos que a força magnética de Coulomb resultante entre tais PBHs carregados seria comparável à força gravitacional. Essa interação magnética entre PBHs carregados adiciona uma camada de complexidade e uma assinatura distintiva ao cenário, diferenciando-o de outros modelos de formação de PBHs. A observação de PBHs com carga magnética, juntamente com os sinais de GWs, seria uma prova definitiva da validade deste modelo.

Em conjunto com os sinais de PBHs e GWs, a presença de PBHs carregados magneticamente fornece uma assinatura multifacetada e definitiva do cenário proposto. Adicionalmente, apontamos para cenários cosmológicos simples que podem ser aplicados não apenas à formação de PBHs a partir de redes de monopólos em regime de escala, mas também à formação de PBHs a partir de cordas cósmicas em regime de escala. Esses cenários permitem que os PBHs constituam uma fração dominante da matéria escura do Universo, oferecendo uma solução para um dos maiores mistérios da cosmologia moderna. A investigação contínua desses modelos é essencial para avançar nossa compreensão da matéria escura e da evolução cósmica.