Previsão da composição da matéria escura

A interpretação de um artista da nucleossíntese do big bang, o período inicial do universo em que prótons "p" e nêutrons "n" se combinam para formar elementos leves. A presença de matéria escura "χ" altera a quantidade de cada elemento que se formará. Crédito:Cara Giovanetti/New York University

Uma nova análise feita por uma equipe de físicos oferece um meio inovador de prever "assinaturas cosmológicas" para modelos de matéria escura.
Uma equipe de físicos desenvolveu um método para prever a composição da matéria escura – matéria invisível detectada apenas por sua atração gravitacional sobre a matéria comum e cuja descoberta é há muito procurada pelos cientistas.

Seu trabalho, que aparece na revista Physical Review Letters , centra-se na previsão de "assinaturas cosmológicas" para modelos de matéria escura com uma massa entre a do elétron e a do próton. Métodos anteriores previam assinaturas semelhantes para modelos mais simples de matéria escura. Esta pesquisa estabelece novas maneiras de encontrar essas assinaturas em modelos mais complexos, que os experimentos continuam procurando, observam os autores do artigo.

"Experiências que procuram matéria escura não são a única maneira de aprender mais sobre esse misterioso tipo de matéria", diz Cara Giovanetti, Ph.D. estudante do Departamento de Física da Universidade de Nova York e principal autor do artigo.

Esta visualização de uma simulação de computador mostra a ‘teia cósmica’, a estrutura em grande escala do universo. Cada nó brilhante é uma galáxia inteira, enquanto os filamentos roxos mostram onde existe material entre as galáxias. Ao olho humano, apenas as galáxias seriam visíveis, e essa visualização nos permite ver os fios de material que conectam as galáxias e formam a teia cósmica. Esta visualização é baseada em uma simulação científica do crescimento da estrutura no universo. A matéria, a matéria escura e a energia escura em uma região do universo são seguidas desde os primórdios do universo até os dias atuais usando as equações da gravidade, hidrodinâmica e cosmologia. A matéria normal foi recortada para mostrar apenas as regiões mais densas, que são as galáxias, e é mostrada em branco. A matéria escura é mostrada em roxo. O tamanho da simulação é um cubo com um comprimento lateral de 134 megaparsecs (437 milhões de anos-luz). Crédito:Hubblesite; Visualização:Frank Summers, Space Telescope Science Institute; Simulação:Martin White e Lars Hernquist, Universidade de Harvard.

"Medidas de precisão de diferentes parâmetros do universo - por exemplo, a quantidade de hélio no universo ou as temperaturas de diferentes partículas no universo primitivo - também podem nos ensinar muito sobre a matéria escura", acrescenta Giovanetti, descrevendo o método descrito nas Cartas de Revisão Física papel.

Na pesquisa, conduzida com Hongwan Liu, pós-doutorado da NYU, Joshua Ruderman, professor associado do Departamento de Física da NYU, e a física de Princeton Mariangela Lisanti, Giovanetti e seus coautores se concentraram na nucleossíntese do big bang (BBN) – um processo de quais formas leves de matéria, como hélio, hidrogênio e lítio, são criadas. A presença de matéria escura invisível afeta a forma como cada um desses elementos se formará. Também vital para esses fenômenos é o fundo cósmico de micro-ondas (CMB) – radiação eletromagnética, gerada pela combinação de elétrons e prótons, que permaneceu após a formação do universo.

A equipe buscou um meio de detectar a presença de uma categoria específica de matéria escura – aquela com massa entre a do elétron e a do próton – criando modelos que levavam em conta tanto o BBN quanto o CMB.

“Tal matéria escura pode modificar a abundância de certos elementos produzidos no início do universo e deixar uma marca no fundo de microondas cósmico, modificando a rapidez com que o universo se expande”, explica Giovanetti.

Em sua pesquisa, a equipe fez previsões de assinaturas cosmológicas ligadas à presença de certas formas de matéria escura. Essas assinaturas são o resultado da matéria escura alterando as temperaturas de diferentes partículas ou alterando a rapidez com que o universo se expande.

Seus resultados mostraram que a matéria escura que é muito leve levará a diferentes quantidades de elementos de luz do que as observações astrofísicas veem.

“Formas mais leves de matéria escura podem fazer o universo se expandir tão rápido que esses elementos não têm chance de se formar”, diz Giovanetti, descrevendo um cenário.

“Aprendemos com nossa análise que alguns modelos de matéria escura não podem ter uma massa muito pequena, caso contrário, o universo seria diferente daquele que observamos”, acrescenta ela. + Explorar mais