De que é feita a matéria escura? É uma das perguntas mais desconcertantes da astronomia moderna. Sabemos que a matéria escura existe, pois podemos ver sua óbvia influência gravitacional em tudo, desde galáxias até a evolução de todo o universo, mas não sabemos o que é isso. é. Nosso melhor palpite é que é algum tipo de partícula estranha que não gosta de conversar com a matéria normal com muita frequência (caso contrário, já a teríamos visto). Uma possibilidade é que seja um tipo hipotético exótico de partícula conhecido como axion, e uma equipe de astrônomos está usando nada além de buracos negros para tentar vislumbrar esse estranho e novo bicho cósmico.
Agenda Axion
Serei honesto com você, não sabemos se existem axiões. Eles foram inventados para explicar um enigma na física de alta energia. Existe um certo tipo de simetria na natureza em que, se você tomar alguma interação aleatória envolvendo muitas partículas subatômicas e trocar as cargas elétricas de todos pelo sinal oposto, além de executar o processo no espelho, obtém exatamente o mesmo resultado. Isso é conhecido como simetria de carga e paridade ou simetria de CP, para abreviar.
Essa simetria se mantém em toda parte da natureza, exceto quando não existe, como no caso da força nuclear fraca, que é capaz de violar essa simetria sempre que lhe apetecer.
O enigma é que, sob todos os direitos, a forte força nuclear também deve violar isso. Existem termos na matemática que obviamente quebram a simetria do PC, e ainda assim não vemos nenhum sinal de simetria rompendo com a força nuclear forte em nenhum de nossos experimentos. Então, algo deve estar acontecendo para restaurar essa simetria quando ela deve ser quebrada.
A resposta - ou pelo menos uma resposta em potencial - é um novo tipo de partícula chamada axion. O axion restaura um certo tipo de equilíbrio na força (sim, eu estou ciente da referência de Star Wars aqui) para que a simetria do PC seja preservada e todos possam seguir suas vidas diárias. É claro que os experimentos até o momento não revelaram diretamente a existência do axião, e há uma variedade de massas e propriedades possíveis que o axião poderia ter.
Dentro dessa faixa de possíveis massas admissíveis e propriedades do axião, algo notável ocorre. Se queremos encher o universo de matéria escura, essa matéria escura precisa ter certas propriedades. Ele não pode interagir com a matéria normal com muita frequência e também não pode interagir consigo mesmo com muita frequência. Além disso, é preciso muito disso e deve ser muito estável e duradouro. Acontece que algumas das possíveis propriedades de axion permitem que essa partícula hipotética seja candidata à matéria escura.
Os Axions escuros
Se deixarmos o axônio ser a matéria escura, geralmente pode explicar todas as observações usuais da matéria escura. Pode explicar as curvas de rotação dentro das galáxias. Pode explicar os movimentos das galáxias nos aglomerados de galáxias. Ele pode ser fabricado em abundância suficiente no Universo primitivo para atender às observações do fundo cósmico de microondas. E assim por diante.
Além disso, os axônios nos núcleos das galáxias podem se agrupar com força suficiente para formar uma única bola maciça que, à primeira vista, ficaria muito parecida com um buraco negro supermassivo. Seria pequeno, não interagiria com a luz e seria incrivelmente massivo. Enquanto observações recentes do Event Horizon Telescope nos deram uma imagem literal de um buraco negro gigante em outra galáxia, isso não significa necessariamente excluir que esses núcleos de axônio ainda se escondem nas profundezas das galáxias em todo o Universo. E é com esses possíveis núcleos de axônio que podemos controlar suas propriedades.
Buracos negros são a chave
Além do telescópio Event Horizon, não temos observações diretas de buracos negros supermassivos. Só podemos ver o material que está girando e fervendo ao seu redor. E a partir das propriedades desse material, podemos estimar o tamanho e a massa dos buracos negros. Com essas técnicas, ao longo das décadas descobrimos um relacionamento muito estranho: galáxias mais massivas hospedam buracos negros mais massivos em seus centros. Essa relação é realmente relativamente estreita e nos diz que os buracos negros de alguma forma co-evoluíram com suas galáxias hospedeiras.
Mas, como eu disse, não podemos observar os buracos negros diretamente. Portanto, eles podem não ser buracos negros. Eles podem ser núcleos de axônio escondidos no centro dessas galáxias. Se for esse o caso, não é que os buracos negros co-evoluam com suas galáxias hospedeiras, mas esses núcleos de axônio co-evoluam com suas galáxias hospedeiras. Quanto maior a galáxia, mais axônio a matéria escura pode hospedar e maior o núcleo do axônio no centro.
Isso significa que podemos usar a relação entre o objeto escuro central (seja o buraco negro ou o núcleo do axônio) e a própria galáxia para restringir as propriedades dos axions. Isso funciona porque se você começar a brincar com a massa de partículas axiais, isso afeta a facilidade com que você pode se agrupar para formar um núcleo, o que mudará o relacionamento com a galáxia hospedeira.
Uma equipe de astrônomos recentemente empregou a relação entre buracos negros e galáxias para fazer exatamente isso, e conseguiu colocar alguns limites superiores na massa de partículas axiais, o que ajudará a orientar futuros experimentos e pesquisas diretas. O axio é responsável pela matéria escura no universo? Espero que um dia possamos lançar alguma luz sobre a situação.
Leia mais: “Núcleo do axônio - massa do halo e a relação da massa buraco negro - halo: restrições em algumas escalas parsec”
