(Imagem: © ESA / Hubble & NASA, R. Tully; reconhecimento: Gagandeep Anand)
Os cientistas estão finalmente descobrindo quanta matéria escura – o material quase imperceptível que se diz que puxa tudo, mas não emite luz – realmente pesa.
A nova estimativa ajuda a definir o quão pesadas suas partículas podem ser – com implicações para o que a coisa misteriosa realmente é.
A pesquisa reduz drasticamente a massa potencial das partículas de matéria escura, de cerca de 10 ^ menos 24 elétronvolts (eV) e 10 ^ 19 Gigaeletron volts (GeV), para entre 10 ^ menos 3 eV e 10 ^ 7eV – uma faixa possível de massas muitos trilhões de trilhões de vezes menores do que antes.
As descobertas podem ajudar os caçadores de matéria escura a concentrar seus esforços na faixa indicada de massas de partículas – ou podem revelar que uma força até então desconhecida está em ação no universo, disse Xavier Calmet, professor de física e astronomia da Universidade de Sussex no Reino Unido.
Calmet, junto com o estudante de doutorado Folkert Kuipers, também da Universidade de Sussex, descreveu seus esforços em um novo estudo a ser publicado na edição de março da Physical Letters B.
O que é matéria escura?
Segundo algumas estimativas, a matéria escura representa cerca de 83% de toda a matéria do universo. Acredita-se que ele só interaja com a luz e a matéria comum por meio da gravidade, o que significa que só pode ser visto pela forma como curva os raios de luz.
Os astrônomos encontraram os primeiros indícios de matéria escura ao contemplar um aglomerado de galáxias na década de 1930, e as teorias de que as galáxias são entrelaçadas e orladas por vastos halos de matéria escura tornaram-se predominantes após a década de 1970, quando os astrônomos perceberam que as galáxias giravam mais rápido do que deveriam , dada a quantidade de matéria visível que continham.
Os possíveis candidatos para partículas de matéria escura incluem partículas minúsculas espectrais conhecidas como neutrinos, partículas escuras teóricas e frias conhecidas como axions e partículas massivas de interação fraca propostas, ou WIMPs. Os novos limites de massa podem ajudar a eliminar alguns desses candidatos, dependendo dos detalhes do modelo específico de matéria escura, disse Calmet.
Gravidade quântica
O que os cientistas sabem é que a matéria escura parece interagir com a luz e a matéria normal apenas por meio da gravidade, e não por meio de nenhuma das outras forças fundamentais; e assim os pesquisadores usaram teorias gravitacionais para chegar ao intervalo estimado para as massas das partículas de matéria escura.
É importante ressaltar que eles usaram conceitos de teorias da gravidade quântica, o que resultou em uma faixa muito mais estreita do que as estimativas anteriores, que usavam apenas a teoria da relatividade geral de Einstein.
“Nossa ideia era muito simples”, disse Calmet ao Live Science por e-mail. “É incrível que as pessoas não tenham pensado nisso antes.”
A teoria da relatividade geral de Einstein é baseada na física clássica; prediz perfeitamente como a gravidade funciona na maior parte do tempo, mas quebra em circunstâncias extremas em que os efeitos da mecânica quântica se tornam significativos, como no centro de um buraco negro.
As teorias da gravidade quântica, por outro lado, tentam explicar a gravidade por meio da mecânica quântica, que já pode descrever as outras três forças fundamentais conhecidas – a força eletromagnética, a força forte que mantém a maior parte da matéria unida e a força fraca que causa o decaimento radioativo. Nenhuma das teorias da gravidade quântica, no entanto, ainda tem fortes evidências para apoiá-las.
Calmet e Kuipers estimaram o limite inferior para a massa de uma partícula de matéria escura usando valores da relatividade geral e estimaram o limite superior do tempo de vida das partículas de matéria escura previsto pelas teorias da gravidade quântica. A natureza dos valores da relatividade geral também definiu a natureza do limite superior, então eles foram capazes de derivar uma previsão que era independente de qualquer modelo particular de gravidade quântica, disse Calmet.
O estudo descobriu que, embora os efeitos gravitacionais quânticos fossem geralmente quase insignificantes, eles se tornaram importantes quando uma partícula de matéria escura hipotética demorou muito para se decompor e quando o universo tinha a idade de agora (cerca de 13,8 bilhões de anos), disse ele. .
Os físicos estimaram anteriormente que as partículas de matéria escura tinham que ser mais leves do que a “massa de Planck” – cerca de 1,2 x 10 ^ 19 GeV, pelo menos 1.000 vezes mais pesadas do que as maiores partículas conhecidas – ainda mais pesadas do que 10 ^ menos 24 eV para se ajustar observações das menores galáxias conhecidas por conterem matéria escura, disse ele.
Mas, até agora, poucos estudos tentaram estreitar o intervalo, embora um grande progresso tenha sido feito no entendimento da gravidade quântica nos últimos 30 anos, disse ele. “As pessoas simplesmente não olhavam para os efeitos da gravidade quântica na matéria escura antes.”
Força desconhecida
Calmet disse que os novos limites para as massas das partículas de matéria escura também poderiam ser usados para testar se a gravidade sozinha interage com a matéria escura, o que é amplamente aceito, ou se a matéria escura é influenciada por uma força desconhecida da natureza.
“Se encontrarmos uma partícula de matéria escura com uma massa fora da faixa discutida em nosso artigo, não só teríamos descoberto matéria escura, mas também evidências muito fortes de que … há alguma nova força além da gravidade agindo sobre a matéria escura”, disse ele.
Publicado em 07/02/2021 22h29
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