upright=2|miniaturadaimagem|Formação do universo sem (acima) e com (abaixo) buracos negros primordiais

Em cosmologia, buracos negros primordiais (PBHs) são buracos negros hipotéticos que se formaram logo após o Big Bang. Na era inflacionária e no início do universo dominado pela radiação, bolsas extremamente densas de matéria subatômica podem ter sido compactadas a ponto de sofrer colapso gravitacional, criando buracos negros primordiais sem a compressão de supernova tipicamente necessária para criar buracos negros hoje. Como a criação de buracos negros primordiais seria anterior às primeiras estrelas, eles não estão limitados à estreita faixa de massa dos buracos negros estelares.

Em 1966, Yakov Zeldovich e Igor Novikov propuseram pela primeira vez a existência de tais buracos negros, enquanto o primeiro estudo aprofundado foi conduzido por Stephen Hawking em 1971. No entanto, sua existência permanece hipotética. Em setembro de 2022, buracos negros primordiais foram propostos por alguns pesquisadores para explicar os pontinhos vermelhos, galáxias inesperadamente grandes formadas muito cedo no tempo cosmológico, conforme observado pelo Telescópio Espacial James Webb (JWST).

Os PBHs têm sido considerados há muito tempo possivelmente importantes, senão componentes quase exclusivos da matéria escura, esta última perspectiva tendo sido reforçada por observações de ondas gravitacionais do LIGO/Virgo interferometer e do JWST. As primeiras restrições sobre PBHs como matéria escura geralmente assumiam que a maioria dos buracos negros teria massa similar ou idêntica ("monocromática"), o que foi refutado pelos resultados do LIGO/Virgo, e sugestões adicionais de que a distribuição real de massa dos buracos negros é amplamente platicúrtica foram evidentes a partir das observações do JWST de galáxias grandes e primitivas. Análises recentes concordam, sugerindo uma distribuição de massa ampla com uma moda em torno de uma massa solar. Veja a Figura 39.

Muitos PBHs podem ter a massa de um asteroide, mas o tamanho de um átomo de hidrogênio, e estar viajando a velocidades enormes, com um provavelmente estando dentro do Sistema Solar em qualquer momento. Muito provavelmente, tais PBHs passariam diretamente através de uma estrela "como uma bala", sem quaisquer efeitos significativos sobre a estrela. No entanto, aqueles que viajam lentamente teriam uma chance de serem capturados pela estrela. Stephen Hawking propôs que o Sol pode abrigar tal PBH.

História

Dependendo do modelo, os buracos negros primordiais podem ter massas iniciais variando de (as chamadas relíquias de Planck) a mais de milhares de massas solares. No entanto, buracos negros primordiais com massas inferiores a não teriam sobrevivido até o presente devido à radiação Hawking, que causa evaporação completa em um tempo muito menor que a idade do Universo. Os buracos negros primordiais se formam antes da nucleossíntese responsável pela matéria bariônica observada, e, como tal, são candidatos plausíveis à matéria escura. Os buracos negros primordiais também são bons candidatos para serem as sementes dos buracos negros supermassivos no centro de galáxias massivas, bem como de buracos negros de massa intermediária.

Buracos negros primordiais pertencem à classe dos objetos massivos compactos de halo (MACHOs). Eles são naturalmente um bom candidato à matéria escura: são (quase) sem colisões e estáveis (se suficientemente massivos), têm velocidades não relativísticas e se formam muito cedo na história do Universo (tipicamente menos de um segundo após o Big Bang). No entanto, os críticos sustentam que limites rigorosos sobre sua abundância foram estabelecidos a partir de várias observações astrofísicas e cosmológicas, o que excluiria que eles contribuíssem significativamente para a matéria escura na maior parte da faixa de massa plausível. No entanto, novas pesquisas forneceram novamente a possibilidade, em que esses buracos negros estariam em aglomerados que se dispersam em tempos posteriores, com a maioria dos buracos negros se formando na época da matéria QCD em torno de 1 ou 30 massas solares.

alt=Uma simulação de dois buracos negros colidindo para formar um buraco negro supermassivo|miniaturadaimagem|upright=1.2|Simulação de dois buracos negros colidindo

Em março de 2016, um mês após o anúncio da detecção pelo Advanced LIGO/VIRGO de ondas gravitacionais emitidas pela fusão de dois buracos negros de 30 massas solares (cerca de ), três grupos de pesquisadores propuseram independentemente que os buracos negros detectados tinham uma origem primordial. Dois dos grupos descobriram que as taxas de fusão inferidas pelo LIGO são consistentes com um cenário em que toda a matéria escura é feita de buracos negros primordiais, se uma fração não desprezível deles estiver de alguma forma aglomerada dentro de halos, como galáxias anãs tênues ou aglomerados globulares, como esperado pela teoria padrão da formação de estruturas cósmicas. O terceiro grupo afirmou que essas taxas de fusão são incompatíveis com um cenário de toda-matéria-escura e que os buracos negros primordiais poderiam contribuir apenas com menos de um por cento da matéria escura total. A massa inesperadamente grande dos buracos negros detectados pelo LIGO reavivou fortemente o interesse em buracos negros primordiais com massas na faixa de 1 a 100 massas solares. Ainda é debatido se essa faixa é excluída ou não por outras observações, como a ausência de microlenteamento de estrelas, as anisotropias da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, o tamanho de galáxias anãs tênues e a ausência de correlação entre fontes de raios-X e rádio em direção ao centro galáctico.

Em maio de 2016, Alexander Kashlinsky sugeriu que as correlações espaciais observadas nas radiações de fundo não resolvidas de raios gama e raios X poderiam ser devidas a buracos negros primordiais com massas semelhantes, se sua abundância for comparável à da matéria escura.

Em agosto de 2019, foi publicado um estudo que abriu a possibilidade de compor toda a matéria escura com buracos negros primordiais de massa de asteroides (3,5 × 10−17 – 4 × 10−12 massas solares, ou 7 × 1013 – 8 × 1018 kg).

Em setembro de 2019, um relatório de James Unwin e Jakub Scholtz propôs a possibilidade de um buraco negro primordial (PBH) com massa de 5 a 15  (massas terrestres), cerca do diâmetro de uma bola de tênis, existindo no Cinturão de Kuiper estendido para explicar as anomalias orbitais que são teorizadas como resultado de um 9º planeta no sistema solar.

Em outubro de 2019, Derek Inman e Yacine Ali-Haïmoud publicaram um artigo no qual descobriram que as velocidades não lineares que surgem da formação de estruturas são muito pequenas para afetar significativamente as restrições que surgem das anisotropias da CMB.

Em setembro de 2021, a colaboração NANOGrav anunciou que havia encontrado um sinal de baixa frequência que poderia ser atribuído a ondas gravitacionais e potencialmente poderia estar associado a PBHs.

Em setembro de 2022, buracos negros primordiais foram usados para explicar as inesperadas galáxias muito grandes e antigas (de alto z) descobertas pelo Telescópio Espacial James Webb.

Em 26 de novembro de 2023, foram relatadas evidências, pela primeira vez, de uma galáxia com buraco negro supermassivo (O.B.G.), o resultado da "formação de sementes de buracos negros pesados por colapso direto", uma forma alternativa de produzir um buraco negro diferente do colapso de uma estrela morta. Esta descoberta foi encontrada em estudos de UHZ1, uma galáxia muito antiga contendo um quasar, pelo Observatório de Raios-X Chandra e pelo Telescópio Espacial James Webb.

Em 2024, uma revisão de Bernard Carr e colaboradores concluiu que PBHs formados na época da cromodinâmica quântica (QCD) antes de 10–5 segundos após o Big Bang, resultando em uma distribuição de massa amplamente platicúrtica hoje, "com um número de picos distintos, sendo o mais proeminente em torno de uma massa solar."

miniaturadaimagem|Detecções de ondas gravitacionais

Em novembro de 2025, a colaboração LIGO/Virgo/KAGRA relatou uma onda gravitacional incomum de uma fusão de buracos negros com massas de fonte pequenas o suficiente para sugerir evidência de uma população de buracos negros de massa subsolar, como buracos negros primordiais formados no universo primitivo. Como não houve ondas gravitacionais detectadas em z>1 (>6 Gya), e a sensibilidade a colisões de menor massa diminui com a distância, atualmente não somos capazes de detectar colisões na metade mais antiga da idade do universo.

No final de 2025, observações de "pontinhos vermelhos" (LRDs) de alto desvio para o vermelho e galáxias primitivas pelo JWST forneceram restrições que favorecem a existência de sementes de buracos negros massivos, como as de PBHs, em vez de modelos padrão de remanescentes estelares. Em agosto de 2025, Juodžbalis et al. relataram uma medição de massa dinâmica direta de um buraco negro em um LRD fortemente lenteado no desvio para o vermelho z=7,04, encontrando uma massa central de cerca de 50 milhões de massas solares, superando as estrelas de sua galáxia. Os autores o descrevem como consistente com a formação no universo primitivo. Posteriormente, Tripodi et al. identificaram um núcleo galáctico ativo no LRD "CANUCS-LRD-z8.6" em cerca de z=8,6, contendo um buraco negro de aproximadamente 108 massas solares que cresceu rapidamente antes de sua galáxia hospedeira estabelecer massa estelar significativa, consistente com formação extremamente primitiva ou colapso direto. Simultaneamente, Chavez Ortiz et al. apresentaram evidências de um buraco negro ativo de ~107,2 massas solares na galáxia GHZ2 em z=12,34, menos de 400 milhões de anos após o Big Bang — o buraco negro mais distante identificado até hoje — desafiando ainda mais os limites de acreção padrão e apoiando mecanismos de formação rápida.

Formação

upright=1.45|miniaturadaimagem|Buracos negros primordiais possivelmente foram formados pelo colapso de regiões superdensas na era inflacionária ou no início da era dominada pela radiação.

Buracos negros primordiais poderiam ter se formado no Universo muito primitivo (menos de um segundo após o Big Bang) durante a era inflacionária, ou no início da era dominada pela radiação. O ingrediente essencial para a formação de um buraco negro primordial é uma flutuação na densidade do Universo, induzindo seu colapso gravitacional. Tipicamente, são necessários contrastes de densidade (onde é a densidade do Universo) para formar um buraco negro.

Mecanismos de produção

Existem vários mecanismos capazes de produzir tais inomogeneidades no contexto da inflação cósmica (em modelos de inflação híbrida). Alguns exemplos incluem:

Inflação de áxion

A inflação de áxion é um modelo teórico no qual o áxion atua como um campo inflaton. Devido ao período de tempo em que é criado, o campo está oscilando em sua energia potencial mínima. Essas oscilações são responsáveis pelas flutuações na densidade de energia no Universo primitivo. Para uma revisão dos mecanismos de produção decorrentes de vários modelos de inflação, veja Ref.

Reaquecimento

O reaquecimento é o processo transitório entre o período inflacionário e o período quente, denso e dominado pela radiação. Durante esse tempo, o campo inflaton decai em outras partículas. Essas partículas começam a interagir para atingir o equilíbrio térmico. No entanto, se esse processo for incompleto, cria flutuações de densidade, e se estas forem grandes o suficiente, podem ser responsáveis pela formação de PBHs.

Transições de fase cosmológicas