A busca pela matéria escura – uma substância desconhecida e invisível que se pensa constituir a vasta maioria da matéria no universo – está em uma encruzilhada. Embora tenha sido proposto há quase 70 anos e tenha sido pesquisado intensamente – com grandes coletores de partículas, detectores no subsolo e até instrumentos no espaço – ela ainda não foi encontrado.
Mas os astrônomos prometeram não deixar “pedra sobre pedra” e formar a lançar suas redes mais amplamente na galáxia. A ideia é extrair informações de objetos astrofísicos que podem ter testemunhado pedaços deles enquanto passavam. Acabamos de propor um novo método para fazer isso rastreando o gás galáctico – e pode nos ajudar a nos dizer do que ele é realmente feito.
Os físicos gradientes que a matéria escura tem a tendência de se estruturar em uma hierarquia de halos e subhalos, por meio da gravidade. As massas aglomeradas se enquadram em um espectro, com as de menor massa sendo mais numerosas. Existe um limite de quão leves eles podem ser? Depende da natureza das partículas de matéria escura.
Quente contra frio
A matéria escura não pode ser vista diretamente. Sabemos que existe porque podemos ver os efeitos gravitacionais que tem na matéria específica. Existem diferentes teorias sobre o que a matéria escura pode realmente ser. O modelo padrão inclinado que é frio, o que significa que se mover muito lentamente e só interage com outra matéria por meio da força da gravidade. Isso seria consistente com ele sendo feito de base como axions ou WIMPS. Outra teoria, necessariamente, inclinada que é quente, o que significa que se move em causa mais altas. Um candidatos a matrícula é o neutrino estéril.
Se a matéria escura for fria, uma galáxia do tipo Via Láctea poderia abrigar um ou dois subhalos pesando até 1010 Sóis, e provavelmente centenas com massas de cerca de 108 Sóis. Se a matéria escura for quente, halos mais claros do que cerca de 108 sóis não podem se formar facilmente. Portanto, calcular os halos escuros da massa clara pode nos dizer algo sobre a natureza da matéria escura.
Halo imprints
Acreditamos que a existência de halos de massa inferior pode ser revelada por observações cuidadosamente planejadas. Os astrônomos já se tornaram muito bons nesse jogo de esconde-esconde com halos de matéria escura e criaram observações para detectar os danos que eles deixam.
Até o momento, as observações têm como alvo principalmente as mudanças na distribuição das estrelas na Via Láctea. Por exemplo, a Grande Nuvem de Magalhães, uma galáxia menor orbitando a nossa, parece ter um halo de matéria escura que é massivo o suficiente para desencadear um enorme rastro – levando as estrelas de vastas regiões a se moverem em uníssono.
Alguns dos halos menores de matéria escura que se acredita estarem zunindo dentro da Via Láctea podem ocasionalmente atravessar grandes feições estelares, como aglomerados globulares (coleção esférica de estrelas), deixando lacunas reveladoras neles. Os halos de matéria escura também podem afetar como a luz se curva em torno de objetos astrofísicos em um processo chamado lentes gravitacionais.
Mas os sinais deixados nas distribuições estelares são fracos e propensos a confusão com os próprios movimentos das estrelas. Outra maneira de investigar o efeito dos halos é olhando para o gás galáctico que ele afeta. As galáxias têm muito gás quente (com uma temperatura de cerca de 106 graus Kelvin) que se estende até sua borda, fornecendo uma ampla rede para capturar esses halos de matéria escura.
Usando uma combinação de cálculos analíticos e simulações de computador, mostramos que halos escuros com mais de 108 massas solares podem comprimir o gás quente pelo qual se movem. Isso criará picos locais na densidade do gás, que podem ser detectados por telescópios de raios-X. Prevê-se que sejam minúsculos, da ordem de alguns por cento, mas estarão ao alcance dos próximos telescópios Lynx e Atenas.
Nossos modelos também prevêem que os picos na densidade do gás galáctico mais frio (com temperatura em torno de 105 K) serão ainda mais significativos. Isso significa que o gás mais frio pode registrar a passagem de halos de matéria escura de forma ainda mais sensível do que o gás quente.
Outra maneira promissora de observar as flutuações induzidas pela matéria escura no gás é por meio dos fótons (partículas de luz) da radiação cósmica de fundo – a luz que sobrou do Big Bang. Essa luz espalha os elétrons altamente energéticos do gás quente de uma forma que podemos detectar, fornecendo uma abordagem complementar aos outros estudos.
Nos próximos anos, esse novo método pode ser usado para testar modelos de matéria escura. Independentemente de os halos de matéria escura abaixo de 108 massas solares serem encontrados nos números previstos ou não, aprenderemos algo útil. Se os números coincidirem, o modelo cosmológico padrão teria passado em um teste importante. Se eles estiverem faltando, ou forem muito menos do que o esperado, o modelo padrão seria descartado e teremos que encontrar uma alternativa mais viável.
A matéria escura permanece um mistério, mas há muito trabalho sendo feito para resolvê-lo. Quer a resposta venha de instrumentos na Terra ou de sondas astrofísicas, será sem dúvida uma das descobertas mais importantes do século.
Publicado em 26/10/2020 11h48
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