A matéria escura foi provavelmente o ingrediente inicial para preparar as primeiras galáxias do universo. Pouco depois do Big Bang, partículas de matéria escura teriam se agrupado em "halos gravitacionais, "puxando o gás circundante para seus núcleos, que com o tempo resfriou e condensou nas primeiras galáxias.

Embora a matéria escura seja considerada a espinha dorsal da estrutura do universo, os cientistas sabem muito pouco sobre sua natureza, como as partículas até agora evadiram a detecção.

Agora cientistas do MIT, Universidade de Princeton, e a Universidade de Cambridge descobriram que o universo inicial, e as primeiras galáxias, teria parecido muito diferente dependendo da natureza da matéria escura. Pela primeira vez, a equipe simulou como seria a formação inicial da galáxia se a matéria escura fosse "difusa, "em vez de frio ou quente.

No cenário mais amplamente aceito, a matéria escura é fria, feito de partículas lentas que, além dos efeitos gravitacionais, não têm interação com a matéria comum. A matéria escura quente é considerada uma versão ligeiramente mais leve e rápida da matéria escura fria. E matéria escura difusa, um conceito relativamente novo, é algo totalmente diferente, consistindo em partículas ultraleves, cada um com cerca de 1 octilionésimo (10 ^-27 ) a massa de um elétron (uma partícula de matéria escura fria é muito mais pesada - cerca de 105 vezes mais massiva do que um elétron).

Em suas simulações, os pesquisadores descobriram que se a matéria escura é fria, então as galáxias no início do universo teriam se formado em halos quase esféricos. Mas se a natureza da matéria escura é difusa ou quente, o universo inicial teria parecido muito diferente, com galáxias se formando primeiro em estendidas, filamentos semelhantes a cauda. Em um universo difuso, esses filamentos teriam parecido estriados, como cordas iluminadas por estrelas em uma harpa.

À medida que novos telescópios ficam online, com a capacidade de ver mais para trás no universo primordial, os cientistas podem deduzir, do padrão de formação de galáxias, seja a natureza da matéria escura, que hoje representa quase 85 por cento da matéria do universo, é difuso em oposição a frio ou quente.

"As primeiras galáxias no início do universo podem iluminar o tipo de matéria escura que temos hoje, "diz Mark Vogelsberger, professor associado de física no Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT. "Ou vemos esse padrão de filamento, e matéria escura difusa é plausível, ou nós não, e podemos descartar esse modelo. Agora temos um plano de como fazer isso. "

Vogelsberger é co-autor de um artigo publicado em Cartas de revisão física , junto com o autor principal do artigo, Philip Mocz da Universidade de Princeton, e Anastasia Fialkov da Universidade de Cambridge e anteriormente da Universidade de Sussex.

Ondas difusas

Embora a matéria escura ainda não tenha sido detectada diretamente, a hipótese que descreve a matéria escura como fria provou ser bem-sucedida na descrição da estrutura em grande escala do universo observável. Como resultado, modelos de formação de galáxias são baseados na suposição de que a matéria escura é fria.

"O problema é, existem algumas discrepâncias entre as observações e previsões da matéria escura fria, "Vogelsberger aponta." Por exemplo, se você olhar para galáxias muito pequenas, a distribuição inferida de matéria escura dentro dessas galáxias não concorda perfeitamente com o que os modelos teóricos predizem. Portanto, há tensão aí. "

Digitar, então, teorias alternativas para a matéria escura, incluindo quente, e difuso, que os pesquisadores têm proposto nos últimos anos.

"A natureza da matéria escura ainda é um mistério, "Fialkov diz." A matéria escura difusa é motivada pela física fundamental, por exemplo, teoria das cordas, e, portanto, é um candidato interessante à matéria escura. As estruturas cósmicas são a chave para validar ou descartar esses modelos de matéria escura. "

A matéria escura difusa é composta de partículas tão leves que atuam em um quantum, moda ondulatória, em vez de partículas individuais. Este quantum, natureza difusa, Mocz diz, poderia ter produzido galáxias primitivas que parecem totalmente diferentes do que os modelos padrão prevêem para a matéria escura fria.

"Mesmo que no universo tardio esses diferentes cenários de matéria escura possam prever formas semelhantes para galáxias, as primeiras galáxias seriam notavelmente diferentes, que nos dará uma pista sobre o que é a matéria escura, "Mocz diz.

Para ver como um universo inicial frio e difuso poderia ser diferente, os pesquisadores simularam um pequeno espaço cúbico do universo inicial, medindo cerca de 3 milhões de anos-luz de diâmetro, e avancei a tempo para ver como as galáxias se formariam em um dos três cenários de matéria escura:frio, caloroso, e difuso.

A equipe começou cada simulação assumindo uma certa distribuição de matéria escura, sobre os quais os cientistas têm alguma ideia, com base em medições da "radiação relíquia" de fundo cósmico de microondas que foi emitida por, e foi detectado apenas 400, 000 anos depois, a grande explosão.

"A matéria escura não tem uma densidade constante, mesmo nesses primeiros tempos, "Vogelsberger diz." Existem pequenas perturbações no topo de um campo de densidade constante. "

Os pesquisadores foram capazes de usar algoritmos existentes para simular a formação de galáxias em cenários de matéria escura fria e quente. Mas para simular matéria escura difusa, com sua natureza quântica, eles precisavam de uma nova abordagem.

Um mapa de cordas de harpa

Os pesquisadores modificaram sua simulação de matéria escura fria, permitindo resolver duas equações extras para simular a formação de galáxias em um universo difuso de matéria escura. O primeiro, Equação de Schrödinger, descreve como uma partícula quântica age como uma onda, enquanto o segundo, Equação de Poisson, descreve como essa onda gera um campo de densidade, ou distribuição de matéria escura, e como essa distribuição leva à gravidade - a força que eventualmente puxa a matéria para formar galáxias. Eles então acoplaram esta simulação a um modelo que descreve o comportamento do gás no universo, e a maneira como ele se condensa em galáxias em resposta aos efeitos gravitacionais.

Em todos os três cenários, galáxias se formaram onde quer que houvesse densidades excessivas, ou grandes concentrações de matéria escura em colapso gravitacional. O padrão desta matéria escura, Contudo, Era diferente, dependendo se estava frio, caloroso, ou difuso.

Em um cenário de matéria escura fria, galáxias formadas em halos esféricos, bem como subhalos menores. A matéria escura quente produziu as primeiras galáxias em filamentos semelhantes a cauda, e nenhum subhalos. Isso pode ser devido ao isqueiro da matéria escura quente, natureza mais rápida, tornando as partículas menos propensas a ficarem menores, subhalo aglomera-se.

Semelhante à matéria escura quente, a matéria escura difusa formou estrelas ao longo de filamentos. Mas então os efeitos das ondas quânticas assumiram o controle das galáxias, que formaram filamentos mais estriados, como cordas em uma harpa invisível. Vogelsberger diz que esse padrão estriado é devido à interferência, um efeito que ocorre quando duas ondas se sobrepõem. Quando isso ocorrer, por exemplo em ondas de luz, os pontos onde as cristas e vales de cada onda se alinham formam pontos mais escuros, criando um padrão alternado de regiões claras e escuras.

No caso de matéria escura difusa, em vez de pontos claros e escuros, ele gera um padrão alternado de concentrações superdensas e sub-densas de matéria escura.

"Você teria muita atração gravitacional nessas densidades excessivas, e o gás seguiria, e em algum ponto formaria galáxias ao longo dessas densidades excessivas, e não as sub-densidades, "Vogelsberger explica." Esta imagem seria replicada em todo o universo primitivo. "

A equipe está desenvolvendo previsões mais detalhadas de como as primeiras galáxias podem ter se parecido em um universo dominado por matéria escura difusa. Seu objetivo é fornecer um mapa para os próximos telescópios, como o Telescópio Espacial James Webb, que pode ser capaz de olhar para trás no tempo o suficiente para localizar as primeiras galáxias. Se eles virem galáxias filamentosas como as simuladas por Mocz, Fialkov, Vogelsberger, e seus colegas, podem ser os primeiros sinais de que a natureza da matéria escura é confusa.

"É este teste observacional que podemos fornecer para a natureza da matéria escura, com base em observações do universo primitivo, que se tornará viável nos próximos dois anos, "Vogelsberger diz.