Sabe-se que as nuvens de gás em todo o universo absorvem a luz produzida por objetos celestes massivos distantes, conhecidos como quasares. Essa luz se manifesta como a chamada floresta alfa de Lyman, uma estrutura densa composta por linhas de absorção que podem ser observadas usando ferramentas de espectroscopia.
Nas últimas décadas, os astrofísicos avaliaram o valor dessas linhas de absorção como uma ferramenta para entender melhor o universo e as relações entre os objetos cosmológicos. A floresta alfa de Lyman também pode ajudar na busca contínua por matéria escura, oferecendo uma ferramenta adicional para testar previsões e modelos teóricos.
Pesquisadores da Universidade de Nottingham, da Universidade de Tel-Aviv, da Universidade de Nova York e do Instituto de Física Fundamental do Universo em Trieste compararam recentemente as observações da floresta alfa Lyman de baixo desvio para o vermelho com simulações hidrodinâmicas do meio intergaláctico e da matéria escura composta de fótons, um renomado candidato à matéria escura.
Seu artigo, publicado na Physical Review Letters (PRL), baseia-se em um trabalho anterior de alguns membros de sua equipe, que comparou simulações do meio intergaláctico (IGM) com medições da floresta Lyman-alpha coletadas pelo Cosmic Origins Spectrograph (COS) a bordo o Telescópio Espacial Hubble.
“Em nossas análises, descobrimos que a simulação previa larguras de linha muito estreitas em comparação com os resultados do COS, sugerindo que poderia haver fontes adicionais não canônicas de aquecimento ocorrendo em redshifts baixos”, Hongwan Liu, Matteo Viel, Andrea Caputo e James Bolton, os pesquisadores que realizaram o estudo, disseram à Phys.org por e-mail.
“Exploramos vários modelos de matéria escura que poderiam atuar como fonte de aquecimento. Com base na experiência de dois autores com fótons escuros em um artigo anterior publicado na PRL, finalmente percebemos que o aquecimento da matéria escura de fótons escuros poderia funcionar.”
Com base em suas observações anteriores, Liu, Viel, Caputo e Bolton decidiram alterar uma simulação hidrodinâmica do IGM (ou seja, uma nuvem esparsa de hidrogênio que existe nos espaços entre as galáxias). Em sua nova simulação, eles incluíram os efeitos do calor que os modelos preveem que seria produzido pela matéria escura de fótons escuros.
“Em regiões do espaço onde a massa do fóton escuro corresponde à massa efetiva do plasma do fóton, podem ocorrer conversões de fótons escuros em fótons”, explicaram Liu, Viel, Caputo e Bolton. “Os fótons convertidos são então rapidamente absorvidos pelo IGM nessas regiões, aquecendo o gás. A quantidade de energia transferida da matéria escura para o gás pode ser calculada teoricamente.”
Os pesquisadores adicionaram essa estimativa de transferência de energia entre fótons escuros e nuvens intergalácticas às suas simulações. Isso finalmente permitiu que eles alcançassem uma série de larguras de linha de absorção simuladas, que eles poderiam comparar com as observações reais da floresta Lyman-alpha coletadas pelo COS.
“De um modo geral, mostramos que a floresta Lyman-alpha é extremamente útil para entender os modelos de matéria escura, onde a energia pode ser convertida da matéria escura em aquecimento”, disseram Liu, Viel, Caputo e Bolton. “Acho que nosso estudo encorajará os físicos interessados na matéria escura a prestar mais atenção à floresta Lyman-alpha”.
No geral, a comparação entre as medições do COS e as simulações hidrodinâmicas realizadas por esta equipe de pesquisadores sugere que os fótons escuros podem de fato ser uma fonte de calor nas nuvens de gás intergaláctico. Suas descobertas podem, portanto, ser o primeiro indício da existência de matéria escura que não é observada por meio de seus efeitos gravitacionais.
Embora esta seja uma possibilidade fascinante, Liu, Viel, Caputo e Bolton ainda não descartaram outras possíveis explicações teóricas. Eles esperam, portanto, que seu estudo inspire outras equipes a investigar de maneira semelhante as propriedades do IGM no início do universo.
“Uma consequência particularmente interessante do aquecimento de fótons escuros é que as regiões subdensas no IGM são aquecidas mais cedo em comparação com as regiões superdensas”, disseram Liu, Viel, Caputo e Bolton. “Isso pode fazer com que as regiões subdensas sejam mais quentes do que as regiões superdensas, o que é contrário às expectativas padrão. Há algumas indicações de que o IGM exibe esse comportamento em altos desvios para o vermelho. Nesse caso, pode ser outra evidência importante a favor do escuro. aquecimento de matéria escura de fótons.”
Publicado em 12/12/2022 22h27
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