p Os astrônomos usaram dados do Observatório de Raios-X Chandra da NASA para estudar as propriedades da matéria escura, o misterioso, substância invisível que constitui a maioria da matéria no universo. O estudo, que envolve 13 aglomerados de galáxias, explora a possibilidade de que a matéria escura pode ser mais "difusa" do que "fria, "talvez até aumentando a complexidade em torno deste enigma cósmico. p Por várias décadas, os astrônomos sabem sobre a matéria escura. Embora não possa ser observado diretamente, a matéria escura interage por gravidade com o normal, irradiando matéria (isto é, qualquer coisa feita de prótons, nêutrons, e elétrons agrupados em átomos). Aproveitando esta interação, astrônomos estudaram os efeitos da matéria escura usando uma variedade de técnicas, incluindo observações do movimento das estrelas nas galáxias, o movimento das galáxias em aglomerados de galáxias, e a distribuição de gás quente que emite raios-X em aglomerados de galáxias. A matéria escura também deixou uma marca na radiação que sobrou do Big Bang, 13,8 bilhões de anos atrás.

p Contudo, astrônomos lutam há décadas para entender as propriedades detalhadas da matéria escura. Em outras palavras, eles gostariam de saber como a matéria escura se comporta em todos os ambientes, e, em última análise, do que é feito.

p O modelo mais popular assume que a matéria escura é uma partícula mais massiva do que um próton que é "frio", o que significa que ele se move a velocidades muito menores do que a velocidade da luz. Este modelo foi bem sucedido em explicar a estrutura do universo em escalas muito grandes, muito maior do que galáxias, mas tem problemas em explicar como a matéria é distribuída nas escalas menores das galáxias.

p Por exemplo, o modelo de matéria escura fria prevê que a densidade da matéria escura no centro das galáxias é muito maior do que nas regiões próximas ao centro. Porque a matéria normal é atraída pela matéria escura, ele também deve ter um forte pico de densidade no centro das galáxias. Contudo, astrônomos observam que a densidade da matéria escura e normal no centro das galáxias é muito mais uniformemente distribuída. Outro problema com o modelo da matéria escura fria é que ele prevê um número muito maior de pequenas galáxias orbitando em volta de galáxias como a Via Láctea do que os astrônomos realmente veem.

p Para resolver esses problemas com o modelo de matéria escura fria, astrônomos criaram modelos alternativos em que a matéria escura tem propriedades muito diferentes. Um desses modelos tira proveito do princípio da mecânica quântica de que cada partícula subatômica possui uma onda associada a ela. Se a partícula de matéria escura tem uma massa extremamente pequena, cerca de dez mil trilhões de trilhões de vezes menor que a massa de um elétron, seu comprimento de onda correspondente será de cerca de 3, 000 anos-luz. Essa distância de um pico a outro da onda é cerca de um oitavo da distância entre a Terra e o centro da Via Láctea. Por contraste, o maior comprimento de onda de luz, uma onda de rádio, tem apenas alguns quilômetros de comprimento.

p Ondas de partículas diferentes nessas escalas grandes podem se sobrepor e interferir umas nas outras, como ondas em um lago, agindo como um sistema quântico em escalas galácticas ao invés de escalas atômicas.

p O grande comprimento de onda da onda das partículas significa que a densidade da matéria escura no centro das galáxias não pode atingir um pico forte. Portanto, para um observador fora de uma galáxia, essas partículas pareceriam difusas se pudessem ser detectadas diretamente, portanto, este modelo foi denominado "matéria escura difusa". Como a matéria normal é atraída pela matéria escura, ela também se espalhará em grandes escalas. Isso explicaria naturalmente a falta de um pico forte na densidade da matéria no centro das galáxias.

p Este modelo simples foi bem-sucedido em explicar a quantidade e a localização da matéria escura em pequenas galáxias. Para galáxias maiores, um modelo mais complicado de matéria escura difusa foi necessário. Neste modelo, concentrações massivas de matéria escura podem levar a vários estados quânticos (chamados de "estados excitados"), em que as partículas de matéria escura podem ter diferentes quantidades de energia, semelhante a um átomo com elétrons em órbitas de alta energia. Esses estados excitados mudam como a densidade da matéria escura varia com a distância do centro do aglomerado de galáxias.

p Em um novo estudo, uma equipe de cientistas usou as observações do Chandra do gás quente em 13 aglomerados de galáxias para ver se o modelo difuso de matéria escura funciona em escalas maiores do que as das galáxias. Eles usaram os dados do Chandra para estimar a quantidade de matéria escura em cada aglomerado e como a densidade dessa matéria varia com a distância do centro do aglomerado de galáxias.

p O gráfico mostra quatro dos 13 aglomerados de galáxias usados ​​no estudo. Os clusters são, começando no canto superior esquerdo e indo no sentido horário, Abell 262, Abell 383, Abell 1413, e Abell 2390. Em cada uma dessas imagens, Os dados de raios-X do Chandra são rosa, enquanto os dados ópticos são vermelhos, verde, e azul.

p Tal como acontece com os estudos de galáxias, o modelo mais simples de matéria escura difusa - onde todas as partículas têm a energia mais baixa possível - não concordou com os dados. Contudo, eles descobriram que o modelo em que as partículas tinham diferentes quantidades de energia - os "estados excitados - deu uma boa concordância com os dados. Na verdade, o modelo de matéria escura difusa pode corresponder às observações desses 13 aglomerados de galáxias tão bem ou até melhor do que um modelo baseado em matéria escura fria.

p Este resultado mostra que o modelo de matéria escura difusa pode ser uma alternativa viável à matéria escura fria, mas é necessário mais trabalho para testar essa possibilidade. Um efeito importante dos estados excitados é dar ondulações, ou oscilações, na densidade da matéria escura em função da distância do centro do aglomerado. Isso produziria ondulações na densidade da matéria normal. A magnitude esperada dessas ondulações é menor do que as incertezas atuais nos dados. Um estudo mais detalhado é necessário para testar essa previsão do modelo.

p Um artigo descrevendo esses resultados foi recentemente aceito para publicação no Avisos mensais da Royal Astronomical Society e está disponível online. Os autores são Tula Bernal (Instituto Politécnico Nacional, Cidade do México), Victor Robles (Universidade da Califórnia, Irvine), e Tonatiuh Matos (Instituto Politécnico Nacional).