Uma representação do gás hidrogênio dentro do meio intergaláctico, ou IGM, com áreas brilhantes indicando alta densidade de gás. Crédito:Vid Iršič
A matéria escura é o material invisível apropriadamente denominado que constitui a maior parte da matéria em nosso universo. Mas de que matéria escura é feita é uma questão de debate.
Os cientistas nunca detectaram diretamente a matéria escura. Mas ao longo de décadas, eles propuseram uma variedade de teorias sobre que tipo de material - de novas partículas a buracos negros primordiais - poderia compreender matéria escura e explicar seus muitos efeitos na matéria normal. Em um artigo publicado em 20 de julho na revista Cartas de revisão física , uma equipe internacional de cosmologistas usa dados do meio intergaláctico - o vasto, grande parte do espaço vazio entre as galáxias - para restringir o que poderia ser a matéria escura.
As descobertas da equipe lançam dúvidas sobre uma teoria relativamente nova chamada "matéria escura difusa, "e, em vez disso, emprestar crédito a um modelo diferente chamado" matéria escura fria ". Seus resultados podem informar os esforços em andamento para detectar a matéria escura diretamente, especialmente se os pesquisadores tiverem uma ideia clara dos tipos de propriedades que devem procurar.
"Por décadas, físicos teóricos tentaram entender as propriedades das partículas e forças que devem constituir a matéria escura, "disse o autor principal Vid Iršič, um pesquisador de pós-doutorado no Departamento de Astronomia da Universidade de Washington. "O que fizemos foi colocar restrições sobre o que poderia ser a matéria escura - e 'matéria escura difusa, 'se fosse para formar toda a matéria escura, não é consistente com nossos dados. "
Os cientistas elaboraram as teorias da matéria escura "difusa" e "fria" para explicar os efeitos que a matéria escura parece ter nas galáxias e no meio intergaláctico entre elas.
A matéria escura fria é a mais velha dessas duas teorias, datando da década de 1980, e é atualmente o modelo padrão para matéria escura. Ele postula que a matéria escura é composta de uma massa relativamente tipo de partícula de movimento lento com propriedades de "interação fraca". Ajuda a explicar o que é único, estrutura em grande escala do universo, por exemplo, porque as galáxias tendem a se agrupar em grupos maiores.
Mas a teoria da matéria escura fria também tem algumas desvantagens e inconsistências. Por exemplo, prediz que nossa própria galáxia, a Via Láctea, deve ter centenas de galáxias satélites nas proximidades. Em vez de, temos apenas algumas dezenas de pequenas, vizinhos próximos.
Essas imagens mostram a absorção de luz pelo gás hidrogênio dentro do IGM, com áreas brilhantes indicando alta densidade de gás. As curvas também mostram a absorção de hidrogênio. À esquerda está uma simulação baseada no modelo padrão de matéria escura fria. À direita está uma simulação baseada em matéria escura difusa. A curva à esquerda é mais consistente com os dados analisados por Irši č e colegas. Crédito:Vid Iršič
A teoria mais recente da matéria escura difusa abordou as deficiências do modelo da matéria escura fria. De acordo com esta teoria, matéria escura consiste em uma partícula ultraleve, ao invés de um pesado, e também tem um recurso exclusivo relacionado à mecânica quântica. Para muitas das partículas fundamentais em nosso universo, seus movimentos em grande escala - distâncias de viagem de metros, milhas e além - pode ser explicado usando os princípios da física newtoniana "clássica". Explicando movimentos de pequena escala, como no nível subatômico, requer os princípios complexos e muitas vezes contraditórios da mecânica quântica. Mas para a partícula ultraleve prevista na teoria da matéria escura difusa, movimentos em escalas incrivelmente grandes - como de um extremo a outro da galáxia - também requerem mecânica quântica.
Com essas duas teorias da matéria escura em mente, Iršič e seus colegas se propuseram a modelar as propriedades hipotéticas da matéria escura com base em observações relativamente novas do meio intergaláctico, ou IGM. O IGM consiste em grande parte de matéria escura - seja lá o que for - junto com gás hidrogênio e uma pequena quantidade de hélio. O hidrogênio dentro do IGM absorve a luz emitida de longe, objetos brilhantes, e os astrônomos estudaram essa absorção por décadas usando instrumentos baseados na Terra.
A equipe analisou como o IGM interagia com a luz emitida por quasares, que estão distantes, maciço, objetos parecidos com estrelas. Um conjunto de dados veio de uma pesquisa de 100 quasares pelo Observatório Europeu do Sul, no Chile. A equipe também incluiu observações de 25 quasares pelo Observatório Las Campanas no Chile e pelo W.M. Observatório Keck no Havaí.
Usando um supercomputador da Universidade de Cambridge, Iršič e co-autores simularam o IGM - e calcularam que tipo de partícula de matéria escura seria consistente com os dados do quasar. Eles descobriram que uma partícula típica prevista pela teoria da matéria escura difusa é simplesmente muito leve para explicar os padrões de absorção de hidrogênio no IGM. Uma partícula mais pesada - semelhante às previsões da teoria tradicional da matéria escura fria - é mais consistente com suas simulações.
"A massa desta partícula tem que ser maior do que o que as pessoas esperavam originalmente, com base nas soluções de matéria escura difusa para problemas que envolvem nossa galáxia e outros, "disse Iršič.
Uma partícula ultraleve "difusa" ainda pode existir. Mas não pode explicar por que os aglomerados galácticos se formam, ou outras questões como a escassez de galáxias satélites ao redor da Via Láctea, disse Iršič. Uma partícula "fria" mais pesada permanece consistente com as observações astronômicas e simulações do IGM, ele adicionou.
Os resultados da equipe não abordam todas as desvantagens de longa data do modelo de matéria escura fria. Mas Iršič acredita que a mineração adicional de dados do IGM pode ajudar a resolver o tipo - ou tipos - de partículas que compõem a matéria escura. Além disso, alguns cientistas acreditam que não há problemas com a teoria da matéria escura fria. Em vez de, os cientistas podem simplesmente não entender as forças complexas em ação no IGM, Iršič adicionado.
"De qualquer jeito, o IGM continua sendo um terreno rico para a compreensão da matéria escura, "disse Iršič.
Os co-autores do artigo são Matteo Viel, da International School for Advanced Studies in Italy, o Observatório Astronômico de Trieste e o Instituto Nacional de Física Nuclear da Itália; Martin Haehnelt, da Universidade de Cambridge; James Bolton, da Universidade de Nottingham; e George Becker da Universidade da Califórnia, Riverside. O trabalho foi financiado pela National Science Foundation, o Instituto Nacional de Física Nuclear da Itália, o Conselho Europeu de Pesquisa, o Instituto Nacional de Astrofísica da Itália, a Royal Society do Reino Unido e a Fundação Kavli.
