Cientistas usaram uma relíquia fóssil que sobrou do Big Bang para realizar a detecção mais antiga de matéria escura de todos os tempos.
Os cientistas descobriram matéria escura em torno de galáxias que existiam cerca de 12 bilhões de anos atrás, a primeira detecção desta substância misteriosa que domina o universo.
As descobertas, alcançadas por uma colaboração liderada por pesquisadores da Universidade de Nagoya, no Japão, sugerem que a matéria escura no início do universo é menos “desordenada” do que o previsto por muitos modelos cosmológicos atuais. Se mais trabalhos confirmarem essa teoria, isso poderá mudar a compreensão dos cientistas sobre como as galáxias evoluem e sugerir que as regras fundamentais que governam o cosmos poderiam ter sido diferentes quando o universo de 13,7 bilhões de anos tinha apenas 1,7 bilhão de anos.
A chave para mapear a matéria escura no universo primitivo é o fundo cósmico em micro-ondas (CMB), uma espécie de radiação fóssil remanescente do Big Bang que é distribuída por todo o cosmos.
“Olhar para a matéria escura em torno de galáxias distantes” Foi uma ideia maluca. Ninguém percebeu que poderíamos fazer isso”, disse o professor da Universidade de Tóquio, Masami Ouchi, em um comunicado. “Mas depois que eu dei uma palestra sobre uma grande amostra de galáxia distante, Hironao veio até mim e disse que pode ser possível observar a matéria escura ao redor dessas galáxias com o CMB.”
Como a luz leva um tempo finito para viajar de objetos distantes para a Terra, os astrônomos veem outras galáxias como elas existiam quando a luz observada as deixou. Quanto mais distante uma galáxia, mais tempo a luz viaja até nós e, portanto, mais para trás no tempo as vemos, então vemos as galáxias mais distantes como eram bilhões de anos atrás, no universo infantil.
Observar a matéria escura é ainda mais complicado. A matéria escura é a substância misteriosa que compõe cerca de 85% da massa total do universo. Ele não interage com a matéria e a luz como a matéria cotidiana feita de prótons e nêutrons que preenche estrelas, planetas e nós.
Detectando matéria escura ‘precoce’
Para ‘ver’ a matéria escura, os astrônomos devem confiar em sua interação com a gravidade.
De acordo com a teoria da relatividade de Einstein, objetos de massa tremenda causam a curvatura do espaço-tempo. Uma analogia comum é uma folha de borracha elástica segurando bolas de massa crescente. Quanto maior a massa, maior o ‘dente’ que causa na folha. Da mesma forma, quanto maior o objeto cósmico, mais extrema a distorção do espaço-tempo que ele causa.
Objetos massivos como galáxias fazem com que o espaço-tempo se curve com tanta força que a luz das fontes atrás de uma galáxia é curvada, assim como o caminho de uma bola de gude rolada pela folha de borracha esticada se desviaria. Esse efeito muda a posição da fonte de luz no céu, um fenômeno chamado lente gravitacional.
Para estudar a distribuição da matéria escura em uma galáxia, os astrônomos podem observar como a luz de uma fonte atrás dessa galáxia é alterada ao passar pela ‘galáxia da lente’. Quanto mais matéria escura uma galáxia de lente contém, maior a distorção da luz que passa por ela.
Mas a técnica tem limitações.
Como as galáxias mais antigas e mais distantes são muito fracas, à medida que os astrônomos olham mais fundo no universo e mais para trás no tempo, o efeito de lente se torna mais sutil e difícil de ver e os cientistas precisam de muitas fontes de fundo e muitas galáxias antigas para lente manchada pela matéria escura. Esse problema limitou o mapeamento da distribuição da matéria escura a galáxias com cerca de 8 a 10 bilhões de anos.
Mas o CMB fornece uma fonte de luz mais antiga do que qualquer galáxia. O CMB é uma radiação onipresente que foi criada quando o universo esfriou o suficiente para permitir a formação de átomos, reduzindo o número de elétrons livres de espalhamento de fótons em um momento que os cosmólogos chamam de ‘o último espalhamento’. A redução dos elétrons livres permitiu que os fótons viajassem livremente, o que significa que o universo de repente deixou de ser opaco e se tornou transparente à luz.
E assim como a luz de outras fontes distantes, a CMB pode ser distorcida por galáxias com matéria escura devido às lentes gravitacionais.
“A maioria dos pesquisadores usa galáxias de origem para medir a distribuição da matéria escura desde o presente até 8 bilhões de anos atrás”, disse o professor assistente da Universidade de Tóquio, Yuichi Harikane, no comunicado. “No entanto, podemos olhar mais para o passado porque usamos o CMB mais distante para medir a matéria escura”.
A equipe combinou distorções de lentes de uma grande amostra de galáxias antigas com as da CMB para detectar matéria escura que remonta a quando o universo tinha apenas 1,7 bilhão de anos. E essa antiga matéria escura pinta um quadro cósmico muito diferente.
“Pela primeira vez, medimos a matéria escura quase desde os primeiros momentos do universo”, disse Harikane. “Há 12 bilhões de anos, as coisas eram muito diferentes. Você vê mais galáxias em processo de formação do que no presente; os primeiros aglomerados de galáxias estão começando a se formar também.”
Esses aglomerados podem ser compostos por entre 100 e 1.000 galáxias ligadas a grandes quantidades de matéria escura pela gravidade.
A matéria escura é grumosa?
Um dos aspectos mais significativos das descobertas da equipe é a possibilidade de que a matéria escura seja menos aglomerada no início do universo do que muitos modelos atuais sugerem que deveria ser.
Por exemplo, o modelo Lambda-CDM amplamente aceito sugere que pequenas flutuações no CMB deveriam ter resultado na gravidade criando bolsões de matéria densamente compactados. Essas flutuações eventualmente levam a matéria ao colapso para formar galáxias, estrelas e planetas, e também devem resultar em densos bolsões de matéria escura.
“Nossa descoberta ainda é incerta”, disse Harikane. “Mas se for verdade, isso sugeriria que todo o modelo é falho à medida que você volta no tempo. Isso é empolgante porque se o resultado se mantiver após a redução das incertezas, pode sugerir uma melhoria do modelo que pode fornecer informações na natureza da própria matéria escura.”
A equipe continuará coletando dados para avaliar se o modelo Lambda-CDM está em conformidade com as observações da matéria escura no universo inicial ou se as suposições por trás do modelo precisam ser revisadas.
Os dados usados pela equipe para chegar às suas descobertas originaram-se do Subaru Hyper Suprime-Cam Survey, que analisa dados de um telescópio no Havaí. Mas os pesquisadores usaram apenas um terço desses dados até agora, o que significa que um melhor mapa de distribuição de matéria escura poderia estar disponível à medida que o restante das observações fosse incorporada.
A equipe também está ansiosa pelos dados do Legacy Survey of Space and Time (LSST) do Observatório Vera C. Rubin, que pode permitir que os pesquisadores analisem a matéria escura ainda mais no tempo.
“LSST nos permitirá observar metade do céu”, disse Harikane. “Não vejo nenhuma razão para não podermos ver a distribuição da matéria escura há 13 bilhões de anos a seguir.”
Publicado em 07/08/2022 10h54
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