Astrônomos propuseram um novo modelo para o material invisível que constitui a maior parte da matéria do Universo. Eles estudaram se uma fração das partículas de matéria escura pode ter uma carga elétrica minúscula.

"Você já ouviu falar de carros elétricos e e-books, mas agora estamos falando sobre matéria escura elétrica, "disse Julian Munoz, da Harvard University em Cambridge, Massa., que liderou o estudo que foi publicado na revista Natureza . "Contudo, essa carga elétrica está na menor das escalas. "

Munoz e seu colaborador, Avi Loeb do Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) em Cambridge, Massa., explore a possibilidade de que essas partículas carregadas de matéria escura interajam com a matéria normal pela força eletromagnética.

Seu novo trabalho se encaixa com um resultado recentemente anunciado da colaboração Experiment to Detect the Global EoR (Epoch of Reionization) Signature (EDGES). Em fevereiro, cientistas deste projeto disseram que detectaram a assinatura de rádio da primeira geração de estrelas, e possível evidência de interação entre matéria escura e matéria normal. Alguns astrônomos rapidamente desafiaram a afirmação EDGES. Enquanto isso, Munoz e Loeb já estavam examinando a base teórica subjacente a isso.

"Somos capazes de contar uma história de física fundamental com nossa pesquisa, não importa como você interprete o resultado do EDGES, "disse Loeb, quem é o presidente do departamento de astronomia de Harvard. "A natureza da matéria escura é um dos maiores mistérios da ciência e precisamos usar todos os novos dados relacionados para resolvê-lo."

A história começa com as primeiras estrelas, que emitia luz ultravioleta (UV). De acordo com o cenário comumente aceito, esta luz ultravioleta interagiu com átomos de hidrogênio frios no gás situado entre as estrelas e permitiu-lhes absorver a radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB), a radiação residual do Big Bang.

Essa absorção deve ter levado a uma queda na intensidade do CMB durante este período, que ocorre menos de 200 milhões de anos após o Big Bang. A equipe EDGES afirmou ter detectado evidências para esta absorção de luz CMB, embora isso ainda tenha de ser verificado de forma independente por outros cientistas. Contudo, a temperatura do gás hidrogênio nos dados EDGES é cerca de metade do valor esperado.

"Se EDGES detectou gás de hidrogênio mais frio do que o esperado durante este período, o que poderia explicar isso? ", disse Munoz." Uma possibilidade é que o hidrogênio tenha sido resfriado pela matéria escura. "

No momento em que a radiação CMB está sendo absorvida, quaisquer elétrons ou prótons livres associados à matéria comum estariam se movendo em suas velocidades mais lentas possíveis (já que mais tarde foram aquecidos pelos raios X dos primeiros buracos negros). A dispersão de partículas carregadas é mais eficaz em velocidades baixas. Portanto, quaisquer interações entre a matéria normal e a matéria escura durante esse período teriam sido mais fortes se algumas das partículas de matéria escura estivessem carregadas. Essa interação faria com que o gás hidrogênio esfriasse porque a matéria escura é fria, potencialmente deixando uma assinatura observacional como a reivindicada pelo projeto EDGES.

"Estamos restringindo a possibilidade de que as partículas de matéria escura carreguem uma pequena carga elétrica - igual a um milionésimo da de um elétron - por meio de sinais mensuráveis ​​da aurora cósmica, "disse Loeb." Essas cargas minúsculas são impossíveis de observar, mesmo com os maiores aceleradores de partículas.

Apenas pequenas quantidades de matéria escura com carga elétrica fraca podem explicar os dados EDGES e evitar discordância com outras observações. Se a maior parte da matéria escura estiver carregada, então, essas partículas teriam sido desviadas de regiões próximas ao disco de nossa própria galáxia, e impedido de entrar novamente. Isso está em conflito com as observações que mostram que grandes quantidades de matéria escura estão localizadas perto do disco da Via Láctea.

Os cientistas sabem, a partir de observações do CMB, que prótons e elétrons se combinaram no início do Universo para formar átomos neutros. Apenas uma pequena fração dessas partículas carregadas, cerca de um em alguns milhares, permaneceu livre. Munoz e Loeb estão considerando a possibilidade de que a matéria escura pode ter agido de maneira semelhante. Os dados de EDGES, e experimentos semelhantes, pode ser a única maneira de detectar as poucas partículas carregadas restantes, já que a maior parte da matéria escura seria neutra.

"O espaço de parâmetros viável para este cenário é bastante restrito, mas se confirmado por observações futuras, é claro que estaríamos aprendendo algo fundamental sobre a natureza da matéria escura, um dos maiores quebra-cabeças que temos na física hoje, "disse Cora Dvorkin de Harvard, que não estava envolvida com o novo estudo.

Lincoln Greenhill, também do CfA, está atualmente testando a declaração de observação da equipe EDGES. Ele lidera o projeto Large Aperture Experiment to Detect the Dark Ages (LEDA), que usa o Long Wavelength Array em Owen's Valley, Califórnia e Socorro, Novo México.

Um artigo descrevendo esses resultados aparece em 31 de maio, Edição 2018 da revista Natureza .