Bolhas cósmicas em balão em nosso universo inicial podem ter levado à abundância atual de matéria escura, a substância elusiva que puxa as estrelas, mas não emite luz, sugere um novo estudo.
A teoria, descrita em 9 de outubro na revista The Physical Review Letters, pode explicar exatamente como a matéria escura se condensou da sopa de fogo do universo primitivo. Desde que o astrônomo Fritz Zwicky propôs pela primeira vez a existência de matéria escura em 1933, toneladas de evidências observacionais mostraram que algo está à espreita nas sombras, invisível aos nossos olhos e até mesmo aos mais recentes instrumentos científicos. A matéria escura deixa sua impressão digital pelo puxão gravitacional que exerce sobre as estrelas e galáxias visíveis que os astrônomos observam. A magnitude dessa atração permite aos cientistas estimar que porcentagem do universo é feita de matéria escura; as estimativas atuais sugerem que este material escuro constitui 80% da massa do universo.
“Embora saibamos quanta matéria escura nosso universo contém, há décadas nos perguntamos sobre a natureza e origem da matéria escura”, disse o co-autor do estudo Andrew Long, professor assistente de física da Rice University em Houston. “A matéria escura é uma coleção de partículas elementares? Em caso afirmativo, quais são as propriedades dessas partículas, como sua massa e spin? Que forças essas partículas exercem e quais interações experimentam? Quando a matéria escura foi criada, e quais as interações desempenharam um papel importante na sua formação? ”
Long e os físicos Michael Baker, da Universidade de Melbourne, na Austrália, e Joachim Kopp, da Universidade Johannes Gutenberg de Mainz, na Alemanha, queriam responder à última dessas questões – quando e como se formou? Eles olharam para o período inicial da formação do universo, uma fração de nanossegundo após o início do Big Bang, um “Oeste Selvagem” de criação e destruição de partículas, onde as partículas colidiram e aniquilaram umas às outras tão rapidamente quanto se formaram, disse Long. Na época, o universo era uma sopa ígnea de partículas elementares de energia extremamente alta, semelhante ao quark-gluon que os físicos criam nos maiores aceleradores de partículas da atualidade. Essa sopa primordial era inimaginavelmente quente e densa, e caótica demais para a formação de partículas subatômicas mais ordenadas, como prótons e nêutrons.
Mas esse tiroteio cósmico não durou muito. Depois que o universo começou a se expandir, o plasma foi esfriando gradualmente e a produção de novas partículas foi interrompida. Ao mesmo tempo, as partículas se distanciaram cada vez mais e sua taxa de colisões despencou até que seus números permanecessem fixos. As partículas que sobraram são o que os cientistas chamam de “relíquias térmicas” e se tornaram a matéria que conhecemos e amamos hoje, como átomos, estrelas e, eventualmente, pessoas. “Além de todas as partículas elementares conhecidas hoje, há razão para imagine que houvesse outras partículas presentes durante o início do universo, como matéria escura “, disse Long ao Live Science.
Os cientistas acreditam que essas partículas hipotéticas também podem existir hoje como relíquias térmicas. No novo estudo, a equipe presumiu que, em frações de segundo após o Big Bang, o plasma passou por uma transição de fase semelhante ao que acontece agora quando a matéria se move de um estado para outro, como quando bolhas de vapor d’água se formam em um panela de água fervente ou vapor esfria para formar gotas de água.
Nesse cenário, bolhas de plasma resfriado se formaram abruptamente na sopa fervente do universo primitivo. Essas bolhas se expandiram e se fundiram até que todo o universo fez a transição para uma nova fase.
“À medida que essas gotículas se expandem por todo o universo, elas agem como filtros que separam as partículas de matéria escura do plasma”, disse Long. “Desta forma, a quantidade de matéria escura que medimos no universo hoje é um resultado direto dessa filtração nas primeiras frações de segundo após o Big Bang.”
As paredes dessas bolhas se tornariam barreiras. Apenas partículas de matéria escura com grandes massas teriam energia suficiente para passar para o outro lado dentro das bolhas em expansão e escapar do Oeste Selvagem que aniquilou partículas mais leves. Isso filtraria as partículas de matéria escura de menor massa e poderia explicar a abundância de matéria escura observada hoje.
A busca continua
Um dos principais candidatos para matéria escura são Weakly Interacting Massive Particles, ou WIMPs. Essas partículas hipotéticas pesariam de 10 a 100 vezes mais que os prótons, mas interagiriam com a matéria apenas por meio de duas das forças fundamentais da natureza: a gravidade e a força nuclear fraca. Passando como espectros pelo universo, eles poderiam explicar a ausência de astrônomos de matéria escura, como Zwicky, notados pela primeira vez há quase um século.
A busca por WIMPs levou os físicos a construir enormes detectores de última geração no subsolo. Mas, apesar de décadas de busca pelas partículas elusivas, nenhuma foi encontrada. Nos últimos anos, isso levou os cientistas a procurar outros contendores de partículas de matéria escura que sejam mais leves ou mais pesados do que os WIMPs.
“Um aspecto interessante sobre a ideia [de nossa pesquisa] é que ela funciona para partículas de matéria escura que são muito mais pesadas do que a maioria dos outros candidatos, como os famosos [WIMPs], nos quais a maioria das pesquisas experimentais do passado se concentrava”, Kopp , co-autor do jornal], disse em entrevista. “Nosso trabalho, portanto, motiva a extensão das buscas de matéria escura para massas mais pesadas.”
Seu trabalho também pode abrir a busca por matéria escura para outros projetos futuros, como a Antena Espacial do Interferômetro a Laser (LISA), uma constelação de sondas espaciais que abrangem milhões de quilômetros projetadas para detectar as ondulações das ondas gravitacionais no espaço.
Se as bolhas cósmicas previstas por Long e seus colegas estivessem presentes durante o início do universo, elas podem ter deixado uma impressão digital detectável por meio de ondas gravitacionais, disse Long. É possível que alguma fração da energia criada pela colisão de duas paredes de bolha produzisse ondas gravitacionais detectáveis por experimentos futuros.
A equipe planeja expandir sua pesquisa para entender mais sobre o que acontece quando a matéria escura interage com essas paredes de bolha e o que acontece quando as bolhas colidem. “Sabemos que a matéria escura está lá fora, mas não sabemos muito mais”, disse Baker. “Se for uma nova partícula, então há uma boa chance de podermos realmente detectá-la em um laboratório. Poderíamos então identificar suas propriedades, como sua massa e interações, e aprender algo novo e profundo sobre o universo.”
Publicado em 06/11/2020 01h13
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