A força gravitacional no Universo sob a qual evoluiu de um estado quase uniforme no Big Bang até agora, quando a matéria está concentrada nas galáxias, estrelas e planetas, é fornecido pelo que é denominado 'matéria escura ". Mas, apesar do papel essencial que este material extra desempenha, não sabemos quase nada sobre sua natureza, comportamento e composição, que é um dos problemas básicos da física moderna. Em um artigo recente em Cartas de Astronomia e Astrofísica , cientistas do Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) / Universidade de La Laguna (ULL) e da Universidade Nacional do Noroeste da Província de Buenos Aires (Junín, Argentina) mostraram que a matéria escura nas galáxias segue uma distribuição de 'entropia máxima', que ilumina sua natureza.

A matéria escura representa 85% da matéria do Universo, mas sua existência aparece apenas em escalas astronômicas. Quer dizer, devido à sua interação fraca, o efeito líquido só pode ser percebido quando está presente em grandes quantidades. À medida que esfria apenas com dificuldade, as estruturas que forma são geralmente muito maiores do que planetas e estrelas. Como a presença de matéria escura aparece apenas em grandes escalas, a descoberta de sua natureza provavelmente terá que ser feita por estudos astrofísicos.

Entropia Máxima

Dizer que a distribuição da matéria escura é organizada de acordo com a entropia máxima (que é equivalente a 'desordem máxima' ou 'equilíbrio termodinâmico') significa que ela é encontrada em seu estado mais provável. Para alcançar essa "desordem máxima", a matéria escura deve ter colidido dentro de si mesma, assim como as moléculas de gás fazem, de modo a atingir o equilíbrio em que sua densidade, pressão, e a temperatura estão relacionadas. Contudo, não sabemos como a matéria escura atingiu esse tipo de equilíbrio.

"Ao contrário das moléculas do ar, por exemplo, porque a ação gravitacional é fraca, partículas de matéria escura dificilmente devem colidir umas com as outras, de modo que o mecanismo pelo qual eles alcançam o equilíbrio é um mistério, "diz Jorge Sánchez Almeida, um pesquisador do IAC que é o primeiro autor do artigo. "No entanto, se eles colidissem, isso lhes daria uma natureza muito especial, o que resolveria parcialmente o mistério de sua origem, " ele adiciona.

A entropia máxima da matéria escura foi detectada em galáxias anãs, que têm uma proporção maior de matéria escura em relação à matéria total do que galáxias mais massivas, então é mais fácil ver o efeito neles. Contudo, os pesquisadores esperam que seja um comportamento geral em todos os tipos de galáxias.

O estudo implica que a distribuição da matéria em equilíbrio termodinâmico tem uma densidade central muito mais baixa que os astrônomos assumiram para muitas aplicações práticas, como na interpretação correta das lentes gravitacionais, ou ao projetar experimentos para detectar a matéria escura por meio de sua auto-aniquilação.

Esta densidade central é fundamental para a correta interpretação da curvatura da luz pelas lentes gravitacionais:se for menos densa o efeito da lente é menor. Para usar uma lente gravitacional para medir a massa de uma galáxia, é necessário um modelo, se este modelo for alterado, a medição muda.

A densidade central também é muito importante para os experimentos que tentam detectar a matéria escura usando sua auto-aniquilação. Duas partículas de matéria escura podem interagir e desaparecer em um processo que é altamente improvável, mas o que seria característico de sua natureza. Para que duas partículas interajam, elas devem colidir. A probabilidade dessa colisão depende da densidade da matéria escura; quanto maior a concentração de matéria escura, quanto maior é a probabilidade de as partículas colidirem.

"Por essa razão, se a densidade mudar, também mudará a taxa de produção esperada das auto-aniquilações, e dado que os experimentos são projetados com base na previsão de uma determinada taxa, se essa taxa for muito baixa, é improvável que o experimento produza um resultado positivo, "afirma Sánchez Almeida.

Finalmente, O equilíbrio termodinâmico para a matéria escura também pode explicar o perfil de brilho das galáxias. Este brilho diminui com a distância do centro de uma galáxia de uma forma específica, cuja origem física é desconhecida, mas para o qual os pesquisadores estão trabalhando para mostrar que é o resultado de um equilíbrio com entropia máxima.

Simulação Versus Observação

A densidade da matéria escura nos centros das galáxias é um mistério há décadas. Existe uma grande discrepância entre as previsões das simulações (uma alta densidade) e o que se observa (um valor baixo). Os astrônomos propuseram muitos tipos de mecanismos para resolver esse grande desacordo.

Neste artigo, os pesquisadores mostraram, usando princípios físicos básicos, que as observações podem ser reproduzidas na suposição de que a matéria escura está em equilíbrio, ou seja, que tem entropia máxima. As consequências deste resultado podem ser muito importantes porque indicam que a matéria escura trocou energia consigo mesma e / ou com o restante da matéria 'normal' (bariônica).

“O fato de o equilíbrio ter sido alcançado em tão pouco tempo, em comparação com a idade do Universo, poderia ser o resultado de um tipo de interação entre a matéria escura e a matéria normal, além da gravidade, "sugere Ignacio Trujillo, pesquisador do IAC e coautor deste artigo. "A natureza exata deste mecanismo precisa ser explorada, mas as consequências podem ser fascinantes para entender o que é esse componente que domina a quantidade total de matéria no Universo. "