O modelo padrão de cosmologia nos diz que apenas 4,9% do Universo é composto de matéria comum (isto é, o que podemos ver), enquanto o restante consiste em 26,8% de matéria escura e 68,3% de energia escura. Como os nomes sugerem, não podemos vê-los, portanto sua existência teve que ser inferida com base em modelos teóricos, observações da estrutura em larga escala do Universo e seus aparentes efeitos gravitacionais na matéria visível.
Desde que foi proposto pela primeira vez, não houve escassez de sugestões sobre a aparência das partículas da matéria escura. Há pouco tempo, muitos cientistas propuseram que a matéria escura consistisse em partículas maciças de interação fraca (WIMPs), que são cerca de 100 vezes a massa de um próton, mas interagem como neutrinos. No entanto, todas as tentativas de encontrar WIMPs usando experimentos de colisão estão vazias. Como tal, os cientistas têm explorado a idéia ultimamente de que a matéria escura pode ser composta de algo completamente diferente.
Os modelos cosmológicos atuais tendem a assumir que a massa de matéria escura é de cerca de 100 Gev (Giga-eletrovolts), o que corresponde à escala de massa de muitas das outras partículas que interagem por força nuclear fraca. A existência de tal partícula seria consistente com as extensões supersimétricas do Modelo Padrão da física de partículas. Acredita-se ainda que tais partículas teriam sido produzidas no universo quente e denso do início, com uma densidade de massa de matéria que permaneceu consistente até hoje.
No entanto, os esforços experimentais em andamento para detectar WIMPs falharam em produzir qualquer evidência concreta dessas partículas. Eles incluem a pesquisa de produtos de aniquilação WIMP (ou seja, raios gama, neutrinos e raios cósmicos) em galáxias e aglomerados próximos, bem como experimentos de detecção direta usando supercolliders, como o CERN Large Hadron Collider (LHC) na Suíça.
Por esse motivo, muitas equipes de pesquisadores começaram a considerar a possibilidade de procurar além do paradigma WIMPs para encontrar o Dark Matter. Uma dessas equipes consiste em um grupo de cosmólogos do CERN e do CP3-Origins na Dinamarca, que recentemente divulgaram um estudo indicando que a matéria escura poderia ser muito mais pesada e muito menos interativa do que se pensava anteriormente.
Como o Dr. McCullen Sandora, um dos membros da equipe de pesquisa da CP-3 Origins, disse à Space Magazine por e-mail:
"Ainda não podemos descartar o cenário WIMP, mas a cada ano que passa fica cada vez mais suspeito que não vimos nada. Além disso, a física de escala fraca usual sofre com o problema da hierarquia. Ou seja, por que todas as partículas que conhecemos são tão leves, especialmente com relação à escala natural de gravidade, a escala de Planck, que é de cerca de 1019 GeV. Portanto, se a matéria escura estivesse mais próxima da escala de Planck, ela não seria afetada pelo problema da hierarquia, e isso também explicaria por que não vimos as assinaturas associadas aos WIMPs. ”
Usando um novo modelo que eles chamam de matéria escura interativa de Planckian (PIDM), a equipe vem explorando o limite superior da massa de matéria escura. Enquanto os WIMPs colocam a massa de matéria escura no limite superior da escala eletrofraca, a equipe de pesquisa dinamarquesa de Marthias Garny, McCullen Sandora e Martin S. Sloth propôs uma partícula com uma massa próxima a outra escala natural inteiramente - a Escala de Planck.
Na Escala de Planck, uma única unidade de massa é equivalente a 2.17645 × 10-8 kg - aproximadamente um micrograma, ou 1019 vezes maior que a massa de um próton. Nesta massa, todo PIDM é essencialmente tão pesado quanto uma partícula antes de se tornar um buraco negro em miniatura. A equipe também teoriza que essas partículas do PIDM interagem com a matéria comum apenas através da gravitação e que um grande número delas se formou no Universo primitivo durante a época do “reaquecimento” - um período que ocorreu no final da época da inflação, cerca de 10-36 t0 10-33 ou 10-32 segundos após o Big Bang.
Essa época é assim chamada porque, durante a inflação, acredita-se que as temperaturas cósmicas tenham caído em um fator de aproximadamente 100.000. Quando a inflação terminou, as temperaturas retornaram à temperatura pré-inflacionária (uma estimativa de 1027 K) Nesse ponto, a grande energia potencial do campo de inflação decaiu em partículas do Modelo Padrão que enchiam o Universo, o que incluiria Matéria Negra.
Naturalmente, essa nova teoria vem com uma parcela de implicações para os cosmólogos. Por exemplo, para que esse modelo funcione, a temperatura da época de reaquecimento teria que ter sido maior do que o atualmente assumido. Além disso, um período de reaquecimento mais quente também resultaria na criação de ondas gravitacionais mais primordiais, que seriam visíveis no fundo cósmico de microondas (CMB).
"Ter uma temperatura tão alta nos diz duas coisas interessantes sobre a inflação", diz Sandora. “Se a matéria escura acaba sendo um PIDM: a primeira é que a inflação ocorreu com uma energia muito alta, o que significa que ela foi capaz de produzir não apenas flutuações na temperatura do universo primitivo, mas também no próprio espaço-tempo, sob a forma de ondas gravitacionais. Segundo, ele nos diz que a energia da inflação teve que se deteriorar extremamente rapidamente, porque se demorasse muito tempo o universo teria esfriado a um ponto em que não teria sido capaz de produzir PIDMs ”.
A existência dessas ondas gravitacionais poderia ser confirmada ou descartada por estudos futuros envolvendo o Fundo Cósmico de Microondas (CMB). Esta é uma notícia empolgante, pois espera-se que a recente descoberta de ondas gravitacionais leve a novas tentativas de detectar ondas primordiais que datam da própria criação do Universo.
Como Sandora explicou, isso apresenta um cenário em que todos ganham para os cientistas, pois significa que esse último candidato a Dark Matter poderá ser provado ou refutado em um futuro próximo.
“[Nosso] cenário faz uma previsão concreta: veremos ondas gravitacionais na próxima geração de experimentos cósmicos de fundo por microondas. Portanto, é um cenário sem perdas: se os virmos, isso é ótimo, e se não os virmos, saberemos que a matéria escura não é um PIDM, o que significa que sabemos que precisa ter algumas interações adicionais com matéria comum. E tudo isso acontecerá na próxima década, o que nos dá muito o que esperar. ”
Desde que Jacobus Kapteyn propôs pela primeira vez a existência de Dark Matter em 1922, os cientistas têm procurado evidências diretas de sua existência. E uma a uma, partículas candidatas - variando de gravitinos e MACHOS a axions - foram propostas, pesadas e consideradas desejáveis. Se nada mais, é bom saber que a existência desta última partícula candidata pode ser comprovada ou descartada em um futuro próximo.
E se for comprovado que estamos corretos, teremos resolvido um dos maiores mistérios cosmológicos de todos os tempos! Um passo a mais para entender verdadeiramente o Universo e como suas forças misteriosas interagem. Teoria de Tudo, aqui vamos nós (ou não)!
