Desde a "Era Dourada da Relatividade Geral", na década de 1960, os cientistas sustentam que grande parte do Universo consiste em uma massa invisível misteriosa conhecida como "Matéria Negra". Desde então, os cientistas tentaram resolver esse mistério com uma abordagem dupla. Por um lado, os astrofísicos tentaram encontrar uma partícula candidata que pudesse explicar essa massa.
Por outro lado, os astrofísicos tentaram encontrar uma base teórica que pudesse explicar o comportamento da Matéria Negra. Até agora, o debate centrou-se na questão de ser "quente" ou "frio", com o frio desfrutando de uma vantagem devido à sua relativa simplicidade. No entanto, um novo estudo conduzido pelo Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA)
Isso foi baseado em simulações cosmológicas da formação de galáxias usando um modelo de um Universo que incluía Matéria Negra interativa. As simulações foram conduzidas por uma equipe internacional de pesquisadores da CfA, do Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT, do Instituto Leibniz de Astrofísica de Potsdam e de várias universidades. O estudo apareceu recentemente no Avisos mensais da Royal Astronomical Society.
Quando se trata disso, Dark Matter é nomeado de maneira apropriada. Para iniciantes, compõe cerca de 84% da massa do Universo, mas não emite, absorve ou reflete luz ou qualquer outra forma conhecida de radiação. Segundo, não possui carga eletromagnética e não interage com outra matéria, exceto através da gravidade, a mais fraca das quatro forças fundamentais.
Terceiro, não é composto de átomos ou de seus blocos de construção habituais (elétrons, prótons e nêutrons), o que contribui para sua natureza misteriosa. Como resultado, os cientistas teorizam que deve ser constituído por algum novo tipo de matéria que seja consistente com as leis do Universo, mas não apareça na pesquisa convencional de física de partículas.
Independentemente de sua verdadeira natureza, a Dark Matter tem uma profunda influência na evolução do cosmos desde cerca de 1 bilhão de anos após o Big Bang em diante. De fato, acredita-se ter desempenhado um papel fundamental em tudo, desde a formação de galáxias até a distribuição da radiação Cosmic Microwave Background (CMB).
Além disso, os modelos cosmológicos que levam em conta o papel desempenhado pela Dark Matter são respaldados por observações desses dois tipos muito diferentes de estruturas cósmicas. Além disso, eles são consistentes com parâmetros cósmicos, como a taxa na qual o Universo está se expandindo, que é influenciado por uma força misteriosa e invisível (conhecida como "Energia Negra").
Atualmente, os modelos de Matéria Negra mais amplamente aceitos presumem que ele não interage com outros tipos de matéria ou radiação (inclusive ela própria) além da influência da gravidade - ou seja, é "frio". É o que é conhecido como o cenário Cold Dark Matter (CDM), que geralmente é combinado com a teoria da Energia Escura (representada por Lambda) na forma do modelo cosmológico do LCDM.
Essa forma teórica de Dark Matter também é chamada de
“[CDM] é o modelo mais bem testado e preferido. Isso ocorre principalmente porque nas últimas quatro décadas, mais ou menos, as pessoas têm trabalhado duro para fazer previsões usando o Dark Matter frio como o paradigma padrão - depois são comparados com dados reais - com a conclusão de que, em geral, esse modelo é capaz de reproduzir uma ampla variedade de fenômenos observados em uma ampla variedade de escalas. ”
Como ele descreve, o cenário frio da Matéria Escura tornou-se o líder depois que simulações numéricas da evolução cósmica estavam conduzindo usando a “matéria escura quente” - neste caso, o neutrino. São partículas subatômicas muito semelhantes a um
Essas simulações mostraram que as distribuições previstas não se pareciam com o universo de hoje ”, acrescentou Bose. “Por esse motivo, o limite oposto começou a ser considerado, partículas que praticamente não têm velocidade quando nascem (também conhecido como“ frio ”). As simulações que incluíram esse candidato se encaixam muito mais nas observações modernas do Universo.
“Depois de realizar os mesmos testes de agrupamento de galáxias que antes, os astrônomos encontraram um acordo surpreendente entre os universos simulados e observados. Nas décadas subsequentes, a partícula fria foi testada através de testes mais rigorosos e não triviais do que simplesmente o agrupamento de galáxias, e geralmente passou em cada uma delas com cores vivas. ”
Outra fonte de apelo é o fato de que o Dark Matter frio (pelo menos teoricamente) deve ser detectável direta ou indiretamente. No entanto, é nesse ponto que o CDM enfrenta problemas, pois todas as tentativas de detectar uma única partícula até agora falharam. Como tal, os cosmólogos passaram a considerar outros possíveis candidatos que teriam níveis ainda menores de interação com outras questões.
Foi isso que Sownak Bose, astrônomo da CfA, procurou determinar com sua equipe de pesquisadores. Para o estudo, eles se concentraram em um candidato “quente” da Matéria Escura. Esse tipo de partícula teria a capacidade de interagir sutilmente com partículas muito leves que se aproximam da velocidade da luz, embora menos do que a variedade "quente" mais interativa.
Em particular, poderia ser capaz de interagir com os neutrinos, o ex-líder do cenário HDM. Pensa-se que os neutrinos tenham sido muito prevalentes durante o início do Universo, de modo que a presença de Matéria Escura em interação teria tido uma forte influência.
"Nesta classe de modelos, a partícula Dark Matter pode ter uma interação finita (mas fraca) com espécies radiativas como fótons ou neutrinos", disse o Dr. Bose. "Esse acoplamento deixa uma marca bastante singular na" massa "do Universo nos primeiros tempos, que é bem diferente do que seria de esperar se a Matéria Negra fosse uma partícula fria."
Para testar isso, a equipe executou simulações cosmológicas de ponta nas instalações de supercomputação em Harvard e na Universidade da Islândia. Essas simulações consideraram como a formação das galáxias seria afetada pela presença de matéria quente e matéria escura de cerca de 1 bilhão após o Big Bang a 14 bilhões de anos (aproximadamente o presente). Disse o Dr. Bose indicado:
“Realizamos simulações em computador para gerar percepções de como esse universo pode parecer após 14 bilhões de anos de evolução. Além de modelar o componente Dark Matter, também incluímos prescrições de ponta para a formação de estrelas, os efeitos de supernovas e buracos negros, a formação de metais etc.”
A equipe então comparou os resultados entre si para identificar assinaturas características que distinguiriam uma da outra. O que eles descobriram foi que, para muitas simulações, os efeitos desse Dark Matter interativo eram pequenos demais para serem notados. No entanto, eles estavam presentes de várias maneiras distintas, particularmente na maneira como galáxias distantes são distribuídas pelo espaço.
Essa observação é especialmente interessante porque pode ser testada no futuro usando instrumentos da próxima geração. "A maneira de fazer isso é mapear a massa do Universo nesses primeiros tempos, observando a distribuição do gás hidrogênio", explicou o Dr. Bose. “Observacionalmente, essa é uma técnica bem estabelecida: podemos investigar hidrogênio neutro no universo primitivo, observando os espectros de galáxias distantes (geralmente quasares).”
Em suma, a luz que chega até nós de galáxias distantes precisa passar pelo meio intergaláctico. Se houver muito hidrogênio neutro no meio intermediário, as linhas de emissão da galáxia serão parcialmente absorvidas, enquanto não serão impedidas se houver pouco. Se o Dark Matter estiver realmente frio, ele aparecerá na forma de uma distribuição muito mais "grossa" de gás hidrogênio, enquanto um cenário de WDM resultará em pedaços oscilantes.
Atualmente, os instrumentos astronômicos não têm a resolução necessária para medir as oscilações dos gases de hidrogênio no início do Universo. Mas, como o Dr. Bose indicou, essa pesquisa poderia impulsionar novos experimentos e novas instalações que seriam capazes de fazer essas observações.
Por exemplo, instrumentos de RI como o Telescópio Espacial James Webb (JWST) poderia ser usado para criar novos mapas da distribuição da absorção de gás hidrogênio. Esses mapas poderiam confirmar a influência do Dark Matter interativo ou descartá-lo como candidato. Espera-se também que esta pesquisa inspire as pessoas a pensar em candidatos além daqueles que já foram considerados.
No final, disse o Dr. Bose, o valor real vem do fato de que esses tipos de previsões teóricas podem estimular observações em novas fronteiras e testar os limites do que pensamos que sabemos. "E isso é tudo o que a ciência é realmente", acrescentou, "fazendo uma previsão, propondo um método para testá-la, realizando o experimento e depois restringindo / descartando a teoria!"
