Os físicos que tentam entender a estrutura fundamental da natureza contam com estruturas teóricas consistentes que podem explicar o que vemos e, simultaneamente, fazer previsões que podemos testar. Na menor escala de partículas elementares, o modelo padrão da física de partículas fornece a base de nosso entendimento.

Na escala do cosmos, muito do nosso entendimento é baseado no "modelo padrão de cosmologia". Informado pela teoria da relatividade geral de Einstein, postula que a maior parte da massa e energia do universo é composta de misteriosos, substâncias invisíveis conhecidas como matéria escura (constituindo 80% da matéria no universo) e energia escura.

Nas ultimas decadas, este modelo teve um sucesso notável em explicar uma ampla gama de observações do nosso universo. No entanto, ainda não sabemos o que constitui a matéria escura - só sabemos que existe por causa da atração gravitacional que exerce sobre os aglomerados de galáxias e outras estruturas. Uma série de partículas foram propostas como candidatas, mas não podemos dizer com certeza quais partículas constituem a matéria escura.

Agora, nosso novo estudo - que sugere que partículas extremamente leves chamadas neutrinos provavelmente compõem parte da matéria escura - desafia nosso entendimento atual de sua composição.

Quente contra frio

O modelo padrão afirma que a matéria escura é "fria". Isso significa que consiste em partículas relativamente pesadas que inicialmente tinham movimentos lentos. Como consequência, é muito fácil para as partículas vizinhas se juntarem para formar objetos ligados pela gravidade. O modelo, portanto, prevê que o universo deve ser preenchido com pequenos "halos" de matéria escura, alguns dos quais se fundirão e formarão sistemas progressivamente mais massivos - tornando o cosmos "irregular".

Contudo, não é impossível que pelo menos alguma matéria escura seja "quente". Isso compreenderia partículas relativamente leves que têm velocidades bastante altas - o que significa que as partículas poderiam escapar facilmente de regiões densas como galáxias. Isso retardaria o acúmulo de matéria nova e levaria a um universo onde a formação da estrutura é suprimida (menos irregular).

Neutrinos, que voam em velocidades extremamente altas, são bons candidatos para matéria escura quente. Em particular, eles não emitem ou absorvem luz - fazendo com que pareçam "escuros". Há muito tempo que se presumia que os neutrinos, que vêm em três espécies diferentes, não tem massa. Mas experimentos demonstraram que eles podem mudar (oscilar) de uma espécie para outra. Mais importante, os cientistas mostraram que essa mudança exige que eles tenham massa - o que os torna candidatos legítimos à matéria escura quente.

Nas ultimas decadas, Contudo, ambos os experimentos de física de partículas e várias linhas de argumento astrofísicas descartaram os neutrinos como constituindo a maior parte da matéria escura do universo. O que mais, o modelo padrão assume que os neutrinos (e a matéria escura quente em geral) têm tão pouca massa que sua contribuição para a matéria escura pode ser completamente ignorada (na maioria dos casos assumido como 0%). E, até muito recentemente, este modelo reproduziu muito bem uma ampla variedade de observações cosmológicas.

Mudando a imagem

Nos últimos anos, a quantidade e a qualidade das observações cosmológicas aumentaram enormemente. Um dos exemplos mais proeminentes disso foi o surgimento de "observações de lentes gravitacionais". A relatividade geral nos diz que a matéria curva o espaço-tempo para que a luz de galáxias distantes possa ser desviada por objetos massivos que se encontram entre nós e as galáxias. Os astrônomos podem medir tal deflexão para estimar o crescimento da estrutura (o "volume") no universo ao longo do tempo cósmico.

Esses novos conjuntos de dados apresentaram aos cosmologistas várias maneiras de testar em detalhes as previsões do modelo padrão. Uma imagem que está começando a emergir dessas comparações é que a distribuição de massa no universo parece ser menos irregular do que deveria ser se a matéria escura fosse totalmente fria.

Contudo, fazer comparações entre o modelo padrão e os novos conjuntos de dados pode não ser tão simples quanto se pensava. Em particular, pesquisadores demonstraram que a aparente aglomeração do universo não é afetada apenas pela matéria escura, mas também por processos complexos que afetam a matéria normal (prótons e nêutrons). As comparações anteriores assumiram que a questão normal, que "sente" as forças de gravidade e pressão, é distribuído como matéria escura, que só sente a gravidade.

Agora, nosso novo estudo produziu o maior conjunto de simulações de computador cosmológicas de matéria normal e escura até hoje (chamado BAHAMAS). Também fizemos comparações cuidadosas com uma ampla gama de observações recentes. Concluímos que a discrepância entre os novos conjuntos de dados observacionais e o modelo padrão de matéria escura fria é ainda maior do que anteriormente afirmado.

Observamos os efeitos dos neutrinos e seus movimentos em grande detalhe. Como esperado, quando os neutrinos foram incluídos no modelo, a formação da estrutura no cosmos foi destruída, tornando o universo menos irregular. Nossos resultados sugerem que os neutrinos constituem entre 3% e 5% da massa total da matéria escura. Isso é suficiente para reproduzir de forma consistente uma ampla variedade de observações - incluindo as novas medições de lentes gravitacionais. Se uma fração maior da matéria escura for "quente", o crescimento da estrutura no universo é suprimido demais.

A pesquisa também pode nos ajudar a resolver o mistério de qual é a massa de um neutrino individual. De vários experimentos, os físicos de partículas calcularam que a soma das três espécies de neutrinos deve ser de pelo menos 0,06 volts de elétrons (uma unidade de energia, semelhante a joules). Você pode converter isso em uma estimativa da contribuição total de neutrino para a matéria escura, e resulta em 0,5%. Dado que descobrimos que é de seis a dez vezes maior do que isso, podemos deduzir que a massa do neutrino deveria ser cerca de 0,3-0,5 eV.

Isso é tentadoramente próximo aos valores que podem realmente ser medidos pelos próximos experimentos de física de partículas. Se essas medidas corroboram as massas que encontramos em nossas simulações, isso seria muito reconfortante - nos dando uma imagem consistente do papel dos neutrinos como matéria escura, desde as maiores escalas cosmológicas até o reino da física de partículas menores.

Este artigo foi publicado originalmente em The Conversation. Leia o artigo original.