A matéria escura pode ser ainda mais estranha do que se pensava, dizem os cosmologistas que estão sugerindo que essa substância misteriosa, responsável por mais de 80% da massa do universo, poderia interagir com ela mesma.
“Vivemos em um oceano de matéria escura, mas sabemos muito pouco sobre o que poderia ser”, disse Flip Tanedo, professor assistente de física e astronomia da Universidade da Califórnia em Riverside, em um comunicado.
Todas as tentativas de explicar a matéria escura usando a física conhecida falharam, então Tanedo e seus colaboradores estão desenvolvendo modelos exóticos que podem corresponder melhor às observações. Eles perguntaram: e se a matéria escura interagisse com ela mesma por meio de um continuum de forças operando em um espaço com mais dimensões do que nossas três normais? Parece estranho, mas seu modelo é capaz de explicar melhor o comportamento de estrelas em pequenas galáxias do que os modelos tradicionais de matéria escura simples. Portanto, vale a pena tentar.
Galáxias pequenas, grandes problemas
Mesmo que os cosmologistas não saibam a identidade da matéria escura, eles conhecem algumas de suas propriedades. Todas as observações indicam que a matéria escura é feita de algum novo tipo de partícula, até então desconhecido para a física. Essa partícula inunda cada uma das galáxias, respondendo por mais de 80% de sua massa. Essa partícula não deve interagir muito com a luz, se é que deve interagir (caso contrário, já teríamos visto isso em observações astronômicas). E não deve interagir muito com a matéria normal, se é que deve interagir (caso contrário, teríamos visto isso em experimentos com colisor de partículas).
Juntando essas propriedades, os cosmologistas são capazes de construir simulações de computador sofisticadas da evolução de grandes estruturas no universo. Essas simulações geralmente correspondem às observações, com uma advertência interessante. Esta imagem simplificada da matéria escura prevê que pequenas galáxias devem ter densidades muito altas de matéria escura em seus núcleos (conhecido pelos cosmologistas como o modelo “cúspide”), mas as observações mostram que a densidade da matéria escura é relativamente plana, então o material deve ser uniformemente espalhado por pequenas galáxias (conhecido como o “modelo do núcleo”).
Esse problema de “cúspide central” tem sido um espinho no lado dos estudos da matéria escura por décadas. Um modelo bem-sucedido de matéria escura deve ser capaz de explicar o comportamento de galáxias pequenas e grandes, junto com todas as outras observações de matéria escura. Um desses modelos é chamado de matéria escura de interação automática e, como o nome sugere, prevê que a matéria escura ocasionalmente interage consigo mesma, o que significa que as partículas de matéria escura às vezes podem ricochetear ou até mesmo aniquilar umas às outras. Essa auto-interação suaviza regiões de alta densidade de matéria escura, transformando cúspides em núcleos em pequenas galáxias.
O cerne da questão
Problema resolvido, certo? Não exatamente: os modelos de matéria escura auto-interagentes têm problemas para combinar outras observações, como lentes de galáxias (quando a gravidade de uma grande quantidade de matéria distorce e amplia a luz de certas galáxias atrás dela) e o crescimento de galáxias no universo inicial.
No entanto, esses modelos de desempenho ainda insatisfatório são baseados em interações físicas conhecidas que ocorrem por meio de uma das quatro forças fundamentais da natureza. Os elétrons interagem uns com os outros por meio da força eletromagnética. Quarks interagem uns com os outros através da força forte. E assim por diante. Mas se simplesmente exportar física conhecida para o reino da matéria escura está falhando, talvez seja hora de olhar para forças completamente novas.
Tanedo e seus colaboradores tentaram fazer exatamente isso e descreveram seu trabalho em um artigo publicado em 1º de junho no Journal of High Energy Physics. Seu novo modelo expande muito os modelos possíveis de matéria escura em interação, permitindo que forças desconhecidas entrem em ação.
“O objetivo do meu programa de pesquisa nos últimos dois anos é estender a ideia da matéria escura ‘falando’ às forças das trevas”, disse Tanedo no comunicado. “Durante a última década, os físicos passaram a perceber que, além da matéria escura, as forças ocultas da escuridão podem governar as interações da matéria escura. Isso poderia reescrever completamente as regras de como se deve procurar a matéria escura.”
A abordagem de Tanedo à matéria escura envolve duas características surpreendentes. Um, em vez de uma única força que conecta as partículas de matéria escura, o modelo inclui um espectro infinito de novas forças, todas trabalhando juntas. Dois, o modelo requer uma dimensão extra para o universo, portanto, um espaço quadridimensional.
Pensando fora do universo
O espectro infinito de forças, cada uma representada por uma nova partícula com uma massa diferente, permite muita flexibilidade na construção da teoria de como as partículas de matéria escura podem interagir. E embora não haja contrapartida para tal teoria no mundo da física cotidiana, os astrofísicos já sabem que a matéria escura não obedece necessariamente às regras usuais.
Nas teorias que explicam a física conhecida, quando duas partículas interagem entre si, elas o fazem trocando um único tipo de partícula portadora de força. Por exemplo, dois elétrons ricocheteiam um no outro trocando fótons, o portador da força eletromagnética. Mas esse novo modelo substitui essa interação única por um continuum, ou espectro, de interações, todas trabalhando juntas para fazer a interação acontecer.
“Meu programa de pesquisa visa uma das suposições que fazemos sobre a física de partículas: que a interação das partículas é bem descrita pela troca de mais partículas”, disse Tanedo no comunicado. “Embora isso seja verdade para a matéria comum, não há razão para supor isso para a matéria escura. Suas interações poderiam ser descritas por um continuum de partículas trocadas, em vez de apenas trocar um único tipo de partícula de força.”
Quanto a adicionar uma dimensão extra, a equipe de Tanedo pegou emprestado um truque usado em outras teorias da física de partículas de alta energia. Através de um conceito notável, mas ainda não totalmente comprovado, conhecido como correspondência AdS / CFT (o “AdS” significa anti-de Sitter, que é um tipo de espaço-tempo, e “CFT” significa teoria de campo conforme, é uma categoria de teorias quânticas), alguns problemas de física que são extremamente difíceis de resolver em nosso espaço 3D normal tornam-se muito mais fáceis de lidar quando estendidos para um espaço quadridimensional.
Ao empregar esse truque matemático, Tanedo e seus colaboradores foram capazes de resolver como as forças entre a matéria escura interagiriam umas com as outras. Eles poderiam então traduzir seus resultados para as três dimensões do espaço e fazer previsões de como essas forças operariam no universo real. Eles descobriram que essas forças se comportavam de maneira muito diferente das forças da natureza a que estamos acostumados.
“Para a força gravitacional ou força elétrica que ensino no meu curso introdutório de física, quando você dobra a distância entre duas partículas, você reduz a força por um fator de quatro”, disse Tanedo. “Uma força contínua, por outro lado, é reduzida por um fator de até oito.”
Esta modificação na auto-interação entre as partículas de matéria escura permitiu aos pesquisadores construir simulações que correspondem às observações de pequenas galáxias, dando-lhes um perfil de matéria escura “central”, ao invés do “cuspy” visto em modelos tradicionais de matéria escura. Esses resultados são semelhantes a outros modelos de matéria escura auto-interagente que também reproduzem centros “cúspides”, mas essa teoria vem de uma direção teórica completamente nova que pode ter outras consequências observacionais.
Portanto, há muito trabalho a ser feito. Os cosmologistas usam matéria escura para explicar muitas observações diferentes em todo o universo, em uma ampla variedade de escalas. Trabalhos futuros revelarão se essa teoria exótica corresponde ao universo que vemos.
Publicado em 11/07/2021 10h39
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