A natureza da matéria escura pode ser o maior mistério da ciência – e resolver o caso significa primeiro identificar os prováveis culpados.
Ao longo dos séculos, nossa compreensão do cosmos cresceu aos trancos e barrancos. Mas não foi até recentemente que os astrônomos descobriram que cerca de 85 por cento da matéria no universo assume uma forma estranha e bizarra. E, assim como os detetives nos melhores thrillers de crime, os astrônomos devem caçar para esta matéria escura indescritível em busca de pistas sutis, peneirando através de evidências complicadas e, criticamente, identificando prováveis suspeitos.
“Matéria escura é o nome que os cientistas deram às partículas que acreditamos existir no universo, mas que não podemos ver diretamente”, disse o físico teórico Johar M. Ashfaque à Astronomy. Ashfaque é agora um cientista de dados no NHS Foundation Trust da East Kent Hospitals University no Reino Unido, mas primeiro se interessou pelo mistério da matéria escura ao ganhar um doutorado. com foco na teoria das cordas na Universidade de Liverpool.
“Esse material parece ter massa, mas não parece absorver ou emitir nenhuma radiação eletromagnética”, explica. “Dado que não nos envia nenhuma luz, não é difícil compreender que tem sido difícil descobrir algo sobre a natureza dessas partículas misteriosas.”
No entanto, apesar disso, não somos completamente cegos quando se trata de matéria escura; os cientistas foram capazes de lançar luz sobre o problema. A maior parte do nosso conhecimento sobre a matéria escura vem do fato de que, embora não interaja com a luz, ela interage com a gravidade – é assim que sabemos que realmente existe.
Especificamente, a gravidade da matéria regular (bariônica) presa nas estrelas, planetas e gás das galáxias não é forte o suficiente para unir essas galáxias com a mesma firmeza que se observa. Sem a matéria escura, os astrônomos veriam estrelas na periferia das galáxias orbitando muito mais devagar do que aquelas orbitando perto do centro. No entanto, começando com as observações da galáxia de Andrômeda feitas por Vera Rubin e Kent Ford no final dos anos 1970, não foi isso que os pesquisadores descobriram. A matéria visível nas franjas das galáxias realmente orbita mais rápido do que deveria, sugerindo que as galáxias contêm uma forma invisível de matéria não bariônica que os pesquisadores apelidaram de matéria escura.
A identificação meticulosa dos astrônomos dos efeitos indiretos da matéria escura é semelhante a reunir pistas. E assim como esse processo funciona para a polícia ou detetives particulares, entender essas pistas ajuda os cientistas a identificar os prováveis perpetradores.
Reunindo os suspeitos do costume
A maioria dos prováveis candidatos à matéria escura podem ser partículas hipotéticas, mas sua existência teorizada ainda é baseada em evidências reais. E essa evidência vem de muitos relatos de testemunhas oculares que os astrônomos compilaram ao longo dos anos, ajudando-os a esboçar algumas fotos possíveis.
As fontes prováveis de matéria escura se dividem em duas categorias grosseiras: matéria escura fria (CDM) e matéria escura quente (HDM). Os nomes das categorias não se referem a temperaturas; em vez disso, eles se referem à velocidade, com uma partícula “fria” sendo aquela que se move bem abaixo da velocidade da luz.
Um forte candidato teórico de MDL para matéria escura é partículas massivas de interação fraca, ou WIMPs. Essas partículas hipotéticas são apelidadas de “fracas” porque interagem entre si apenas por meio de duas das quatro forças fundamentais: a força nuclear fraca e a gravidade. Em outras palavras, os WIMPs basicamente ignoram outras questões.
Joel Primack, professor emérito de física da University of California, Santa Cruz, diz à Astronomy que “Heinz Pagels e eu fomos os primeiros a apontar em nosso artigo de 1982 na Physical Review Letters que a partícula supersimétrica parceira mais leve é uma candidata natural a matéria escura. “E a partícula supersimétrica parceira mais leve seria um WIMP.” Mas mesmo que o perfil se encaixe, os astrônomos ainda precisam pegar os WIMPs em flagrante para provar que estão envolvidos.
Embora a evidência direta para WIMPs como matéria escura permaneça elusiva, os pesquisadores já encontraram algumas evidências indiretas. Ou seja, Primack diz: “Os raios gama do centro da Via Láctea se encaixam perfeitamente nas previsões de aniquilação WIMP.” Quando dois WIMPs entram em contato um com o outro, eles não apenas ricocheteiam ou formam pares; eles se destroem completamente em uma poderosa explosão de energia. No entanto, ele acrescenta, “existem outras explicações possíveis [para os raios gama].”
Além dessa linha de evidência potencial, quando os físicos executam simulações do universo primitivo – assim como os detetives executam reconstruções da cena do crime – eles veem o WIMP “parecido com o do outro” aparecer e sobreviver até os dias modernos. E seus números correspondem até mesmo às abundâncias previstas com base em nosso entendimento atual da matéria escura. No entanto, em geral, os WIMPs permanecem em grande parte no cordeiro, já que os astrônomos não conseguem conectá-los diretamente à matéria escura.
Os cientistas, no entanto, tiveram sucesso na detecção de neutrinos, que são partículas semelhantes a fantasmas, sem carga, virtualmente sem massa, que se encaixam nos critérios de interação fraca dos WIMPs. Mas, como os neutrinos não têm massa e viajam quase à velocidade da luz, eles não se encaixam no modelo de CDM dos astrofísicos.
Porém, esses fatores não excluem os neutrinos como candidatos de HDM. Alguns físicos levantaram a hipótese de que as várias classes de neutrinos conhecidos têm um primo muito mais massivo: o neutrino estéril. Essas partículas também interagiriam fracamente com a matéria bariônica e ignorariam a influência eletromagnética, mas poderiam ter massa suficiente para representar a matéria escura.
Apesar de seu peso, os neutrinos estéreis ainda seriam mais difíceis de detectar do que os neutrinos comuns, já que estes são produzidos em abundância por estrelas, incluindo o sol. Mas é difícil negar que os neutrinos estéreis podem ser um símbolo morto para a matéria escura.
E, no entanto, nem todos os possíveis suspeitos de matéria escura precisam ser pesos pesados como WIMPS ou neutrinos estéreis.
Axions: os pesos penas
Axions são considerados semelhantes aos fótons. Mas, enquanto os fótons não têm massa, os axions possuiriam uma pequena quantidade de massa, talvez um bilionésimo da massa de um elétron.
Os axions podem ser um dos candidatos mais interessantes para a matéria escura devido ao fato de que sua existência pode resolver simultaneamente outro mistério preocupante da física. Eles poderiam explicar potencialmente por que o universo primitivo parecia favorecer a matéria em vez da antimatéria, apesar de os dois inicialmente terem simetria. Como os astrofísicos colocam, axions podem ajudar a resolver o problema de “violação de paridade de carga (CP)”. E apesar de serem excepcionalmente pequenos e leves, os axions podem legitimamente ser responsáveis pela matéria escura, desde que estejam incrivelmente compactados no universo.
Esta tentação de matar dois coelhos com uma cajadada só serviu para reforçar o desejo dos teóricos de adicionar axions à pequena lista de possíveis suspeitos de matéria escura. “O axion é a melhor solução para prevenir a violação de CP”, diz Primack. No entanto, Primack também adverte contra se contentar com uma resposta por conveniência: “[Axions] poderiam fazer isso e ainda assim não dar uma contribuição significativa para a densidade de matéria escura do universo.”
Apesar da cautela compreensível, Primack ainda pensa que axions e WIMPs são atualmente os principais suspeitos de matéria escura. “Axions e WIMPs supersimétricos permanecem os dois candidatos que são motivados por argumentos não cosmológicos”, diz ele, “e eles têm a virtude de interagir com partículas comuns e, portanto, serem detectáveis”.
Não saia da cidade …
Alguns candidatos potenciais de matéria escura não são hipotéticos, ou mesmo muito estranhos. E assim como os detetives eliminam os suspeitos com álibis fortes, astrônomos e físicos também eliminaram uma série de possíveis candidatos à matéria escura.
Um exemplo: objetos de halo compacto astrofísico maciço (MACHOs), que incluiriam os restos de estrelas mortas, como anãs brancas e estrelas de nêutrons, bem como estrelas falidas como anãs marrons. Esses corpos ainda são compostos de matéria bariônica. Portanto, embora essa matéria possa ser exótica para os padrões da Terra, ela ainda interagiria com as forças fundamentais de maneiras previsíveis. A única razão pela qual não podemos ver MACHOs é que seus processos de produção de luz cessaram (ou nunca começaram), então eles não emitem radiação eletromagnética.
MACHOs, no entanto, foram praticamente descartados como a fonte de matéria escura, uma vez que a massa atualmente calculada para estar presa nesses objetos não é suficiente para explicar os efeitos gravitacionais observados de matéria escura. Assim, se a matéria escura fosse realmente composta de MACHOs, eles precisariam ser muito mais prevalentes do que os astrônomos estimam atualmente.
Outra teoria que caiu em desuso ao longo dos anos postula que a matéria escura pode não existir. Em vez disso, as chamadas teorias da Dinâmica Newtoniana MOdificada (MOND) sugerem que a matéria escura é uma mera ilusão cósmica, resultante de nossa compreensão falha de como a gravidade funciona nas escalas maiores.
As teorias da MOND até agora vacilaram porque, embora possam explicar muitos fenômenos relacionados à matéria escura (quando perfeitamente sintonizados), não podem explicar todos os efeitos observados da matéria escura. Assim, mesmo modificando nossas teorias bem testadas da gravidade, os astrofísicos ainda estariam perdendo uma peça importante do quebra-cabeça da matéria escura – outro co-conspirador, se preferir.
“Nenhuma das tentativas de [explicar os efeitos da matéria escura] sem matéria escura, como o MOND, teve sucesso”, diz Primack. “Na melhor das hipóteses, eles explicam uma pequena fração dos dados observacionais.” Em outras palavras, MONDs e MACHOs parecem estar fora do gancho.
O mistério da matéria escura ainda não foi resolvido, mas intrépidos detetives cósmicos compilaram fotos dos prováveis suspeitos. E agora, parece que é simplesmente uma questão de tempo antes que eles apontem o culpado certo. Claro, permanece a possibilidade externa de que a verdadeira explicação para a matéria escura possa ser algo que os cientistas ainda não sonharam. E, nesse caso, 85 por cento da massa do universo pode permanecer incompreensível nos próximos anos.
“O pesadelo sobre a matéria escura é que pode ser um tipo de partícula que não interage nem mesmo fracamente com a matéria comum, exceto pela gravidade”, diz Primack. E isso, ele acrescenta, “tornaria indetectável”.
Em outras palavras, a matéria escura pode ter cometido o crime cósmico perfeito.
Publicado em 30/01/2021 14h28
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