A verdadeira natureza da matéria escura é um dos maiores mistérios do universo. Os cientistas estão tentando determinar do que exatamente é feita a matéria escura para que possam detectá-la diretamente, mas nosso entendimento atual tem tantas lacunas, é difícil saber exatamente o que estamos procurando. A capacidade do WFIRST de pesquisar grandes áreas do universo nos ajudará a descobrir de que matéria escura pode ser feita, explorando a estrutura e a distribuição da matéria e da matéria escura no espaço e no tempo.

Por que a matéria escura é um tópico tão desconcertante? Os cientistas suspeitaram de sua existência há mais de 80 anos, quando o astrônomo suíço-americano Fritz Zwicky observou que as galáxias no aglomerado Coma estavam se movendo tão rapidamente que deveriam ter sido lançadas para o espaço - mas permaneceram gravitacionalmente ligadas ao aglomerado por matéria invisível. Então, na década de 1970, A astrônoma americana Vera Rubin descobriu o mesmo tipo de problema em galáxias espirais individuais. As estrelas em direção à borda da galáxia se movem rápido demais para serem retidas pela matéria luminosa da galáxia - deve haver muito mais matéria do que podemos ver nessas galáxias para manter as estrelas em órbita. Desde essas descobertas, os cientistas têm tentado montar o quebra-cabeça usando pistas esparsas.

Atualmente, há uma ampla gama de candidatos à matéria escura. Nós nem temos uma boa ideia de qual pode ser a massa das partículas de matéria escura, o que torna difícil descobrir a melhor forma de procurá-los. As pesquisas de campo amplo do WFIRST fornecerão uma visão abrangente da distribuição de galáxias e aglomerados de galáxias em todo o universo nos estudos de matéria escura mais detalhados já realizados, graças aos efeitos gravitacionais da matéria escura. Essas pesquisas produzirão novos insights sobre a natureza fundamental da matéria escura, que permitirá aos cientistas aprimorar suas técnicas de pesquisa.

A maioria das teorias sobre a natureza das partículas de matéria escura sugere que elas quase nunca interagem com a matéria normal. Mesmo que alguém jogue um grande pedaço de matéria escura em sua cabeça, você provavelmente não perceberia nada. Você não teria nenhum meio de detectar sua presença - todos os seus sentidos são discutíveis quando se trata de matéria escura. Você nem mesmo o impediria de se lançar direto pelo seu corpo e seguir em direção ao centro da Terra.

Isso não acontece com matéria normal, como gatos ou pessoas, porque as forças entre os átomos no solo e os átomos em nossos corpos nos impedem de cair na superfície da Terra, mas a matéria escura se comporta de maneira estranha. A matéria escura é tão imperceptível que é até invisível para os telescópios que observam o cosmos em formas de luz que nossos olhos não podem ver, de ondas de rádio a raios gama de alta energia.

Matéria escura "lente"

Se a matéria escura é invisível, como sabemos que existe? Embora a matéria escura não interaja com a matéria normal na maioria dos casos, afeta gravitacionalmente (que é como foi descoberto pela primeira vez há décadas), então podemos mapear sua presença olhando para aglomerados de galáxias, as estruturas mais massivas do universo.

A luz sempre viaja em linha reta, mas o espaço-tempo - a estrutura do universo - é curvado por concentrações de massa dentro dele. Então, quando a luz passa por uma massa, seu caminho também se curva:uma linha reta em um espaço curvo. A luz que normalmente passaria perto de um aglomerado de galáxias, em vez disso, se curva em direção a ele e em torno dele, produzindo imagens intensificadas - e às vezes múltiplas - da fonte de fundo. Este processo, chamado de lente gravitacional forte, transforma aglomerados de galáxias em colossais telescópios naturais que nos dão um vislumbre de objetos cósmicos distantes que normalmente seriam muito fracos para serem visíveis.

Uma vez que mais matéria leva a efeitos de lente mais fortes, as observações de lentes gravitacionais fornecem uma maneira de determinar a localização e a quantidade de matéria nos aglomerados de galáxias. Os cientistas descobriram que toda a matéria visível que vemos nos aglomerados de galáxias não chega nem perto de criar os efeitos de deformação observados. A matéria escura fornece a gravidade excedente.

Os cientistas confirmaram observações anteriores medindo quanta matéria no início do universo é "normal" e quanto é "escura" usando experimentos como Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) da NASA. Mesmo que a matéria normal constitua tudo o que podemos ver, o universo deve conter mais de cinco vezes mais matéria escura para caber nas observações.

O WFIRST se baseará em estudos anteriores de matéria escura usando as chamadas lentes gravitacionais fracas, que rastreiam como aglomerados menores de matéria escura distorcem as formas aparentes de galáxias mais distantes. Observar os efeitos das lentes nesta escala mais refinada permitirá que os cientistas preencham mais lacunas em nossa compreensão da matéria escura.

A missão medirá as localizações e quantidades de matéria normal e escura em centenas de milhões de galáxias. Ao longo da história cósmica, a matéria escura conduziu a forma como as estrelas e galáxias se formaram e evoluíram. Se a matéria escura consiste em pesada, partículas lentas, ela se agruparia prontamente e o WFIRST deveria ver a formação de galáxias no início da história cósmica. Se a matéria escura é composta de mais leve, partículas que se movem mais rápido, deve levar mais tempo para se assentar em aglomerados e para que as estruturas em grande escala se desenvolvam.

Os estudos de lentes gravitacionais do WFIRST nos permitirão voltar no tempo para rastrear como as galáxias e aglomerados de galáxias se formaram sob a influência da matéria escura. Se os astrônomos puderem reduzir os candidatos para partículas de matéria escura, estaremos um passo mais perto de finalmente detectá-los diretamente em experimentos na Terra.