Do que é feita a matéria escura? É uma das questões mais desconcertantes da astronomia moderna. Nós sabemos que a matéria escura está lá fora, visto que podemos ver sua óbvia influência gravitacional em tudo, desde galáxias até a evolução de todo o universo, mas não sabemos o que é. Nosso melhor palpite é que é algum tipo de nova partícula estranha que não gosta de falar com a matéria normal com muita frequência (caso contrário, já o teríamos visto). Uma possibilidade é que seja um tipo exótico e hipotético de partícula conhecido como axion, e uma equipe de astrônomos está usando nada menos que buracos negros para tentar ter um vislumbre desse novo bicho cósmico estranho.

Agenda Axion

Eu vou ser honesto com você, não sabemos se existem axions. Eles foram inventados para explicar um enigma na física de alta energia. Existe um certo tipo de simetria na natureza em que desligar as cargas elétricas de todas as partículas em uma interação aleatória e executar o processo no espelho produz exatamente o mesmo resultado. Isso é conhecido como simetria de carga e paridade, ou simetria CP para abreviar.

Essa simetria se mantém em todos os lugares da natureza, exceto quando isso não acontece, como no caso da força nuclear fraca, que é capaz de violar essa simetria sempre que lhe apetecer.

O enigma é que por todos os direitos, a força nuclear forte deveria violar isso, também. Existem termos na matemática que obviamente quebram a simetria CP, e ainda não vemos nenhum sinal de quebra de simetria com a força nuclear forte em nenhum de nossos experimentos. Portanto, algo deve estar acontecendo para restaurar essa simetria quando ela deveria ser quebrada.

A resposta - ou pelo menos uma resposta potencial - é um novo tipo de partícula chamada axion. O axion restaura um certo tipo de equilíbrio na força (sim, estou ciente do Guerra das Estrelas referência, aqui) para que a simetria do CP seja preservada e todos possam viver suas vidas diárias. Claro, experimentos até o momento não revelaram diretamente a existência do áxion, e há uma gama de massas e propriedades possíveis que o áxion pode ter.

Dentro dessa faixa de possíveis massas e propriedades permitidas do áxion, algo notável ocorre. Se quisermos preencher o universo com matéria escura, que a matéria escura tem que ter certas propriedades. Ele não pode interagir com a matéria normal com muita frequência e nem mesmo pode interagir com ele mesmo com muita frequência, qualquer. Também, precisa haver muito disso, e precisa ser muito estável e duradouro. Acontece que parte da gama de propriedades possíveis do axion torna aquela partícula hipotética uma candidata à matéria escura.

The Dark Axions

Se considerarmos o áxion como matéria escura, geralmente pode explicar todas as observações usuais de matéria escura. Isso pode explicar as curvas de rotação dentro das galáxias. Pode explicar os movimentos das galáxias dentro dos aglomerados de galáxias. Ele pode ser fabricado em abundância suficiente no universo primitivo para se adequar às observações da radiação cósmica de fundo. E assim por diante.

O que mais, axions nos núcleos das galáxias podem se agrupar com força suficiente para formar uma única bola massiva que, à primeira vista, se pareceria muito com um buraco negro supermassivo. Seria pequeno, não interagiria com a luz, e seria incrivelmente massivo. Embora as observações recentes do Event Horizon Telescope nos tenham dado uma imagem literal de um buraco negro gigante em outra galáxia, isso não exclui necessariamente que esses núcleos de axion ainda se escondem nas profundezas das galáxias em todo o universo. E é com esses possíveis núcleos de axion que podemos ser capazes de controlar suas propriedades.

Buracos negros são a chave

Além do Event Horizon Telescope, não temos observações diretas de buracos negros supermassivos. Só podemos ver o material que está girando e fervendo ao redor deles. E a partir das propriedades desse material, podemos estimar o tamanho e a massa dos buracos negros. Com essas técnicas, descobrimos uma relação muito estranha ao longo das décadas:galáxias mais massivas hospedam buracos negros mais massivos em seus centros. Esta relação é relativamente estreita, e nos diz que os buracos negros de alguma forma coevoluem com suas galáxias hospedeiras.

Mas como eu disse, não podemos observar os buracos negros diretamente. Portanto, eles podem não ser buracos negros. Eles podem ser núcleos de axions escondidos nos centros dessas galáxias. Se esse é o caso, então não é que os buracos negros co-evoluíram com suas galáxias hospedeiras, mas os núcleos dos axions co-evoluíram com suas galáxias hospedeiras. Quanto maior a galáxia, quanto mais matéria escura axion pode hospedar, e quanto maior o núcleo do áxion no centro.

Isso significa que podemos usar a relação entre o objeto escuro central (seja um buraco negro ou um núcleo de axion) e a própria galáxia para restringir as propriedades dos axions. Isso funciona, porque se você começar a brincar com a massa da partícula do eixo, afeta a facilidade com que os áxions podem se aglomerar para formar um núcleo, que muda a relação com a galáxia hospedeira.

Uma equipe de astrônomos recentemente empregou a relação entre buracos negros e galáxias para fazer exatamente isso, e foram capazes de colocar alguns limites superiores na massa da partícula do eixo, que ajudará a orientar experiências futuras e pesquisas diretas. O axion é responsável pela matéria escura no universo? Esperançosamente, podemos lançar alguma luz sobre a situação algum dia.