Um novo artigo levanta a hipótese de como a quantidade de matéria escura poderia ter crescido exponencialmente no início do universo.

Esta imagem é uma observação da grande galáxia de Andrômeda, Messier 31. A galáxia de Andrômeda é a mais massiva do grupo local de galáxias que inclui nossa Via Láctea.Crédito da imagem: NASA/JPL/Instituto de Tecnologia da Califórnia

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Acredita-se que 85% da matéria no universo seja matéria "escura" invisível para os humanos e nossos instrumentos científicos. Mas os cientistas não sabem do que é feita a matéria escura ou como ela foi criada no início do universo. 

Agora, um grupo de pesquisadores propôs uma nova fórmula para a substância misteriosa: Uma partícula de matéria escura colidindo com uma partícula de matéria comum e transformando-a em uma nova partícula de matéria escura. Esse processo teria continuado até que o universo se estabelecesse na quantidade de matéria escura presente hoje. 

"Existem zilhões de modelos para explicar a matéria escura", disse Torsten Bringmann, físico da Universidade de Oslo, na Noruega, e um dos autores do novo artigo, publicado em novembro na revista Physical Review Letters. “Se você escrever um modelo, ele deve conter um mecanismo de como produzir matéria escura, como explicar a única coisa que sabemos sobre a matéria escura, ou seja, exatamente quanto existe”. 

Os cientistas sabem que a matéria escura deve existir em parte porque as bordas externas das galáxias estão girando mais rápido do que o esperado, tão rápido que, com base na quantidade de matéria comum nas galáxias, as galáxias deveriam se separar. Mas felizmente para nós, elas ainda existem. Então, deve haver alguma matéria invisível ajudando a mantê-las juntas. 

A matéria escura também foi observada indiretamente em aglomerados de galáxias, que também não deveriam se manter unidos, bem como em flutuações na radiação do universo primitivo conhecido como fundo cósmico de micro-ondas.

“É bastante convincente que existe alguma forma de matéria escura no universo e que ela realmente forma um componente muito importante da matéria”, disse Geneviève Bélanger, física do Laboratório de Física Teórica de Annecy-le-Vieux, na França. Que não contribuíram para o novo paper. 

Bringmann disse que cerca de 20 anos atrás, os físicos imaginavam que a matéria escura era provavelmente feita de partículas massivas hipotéticas, mas não observadas, que interagem fracamente, ou WIMPs. Essas partículas interagiriam com a matéria comum por meio da força fraca, que é uma das quatro forças fundamentais do universo. Embora seja realmente mais forte que a gravidade, a força fraca só tem influência no nível subatômico. 

Uma maneira pela qual os WIMPS podem ter sido criadas e destruídas no início do universo é por um mecanismo chamado "congelamento". De acordo com essa teoria, os WIMPs de matéria escura seriam agrupados com matéria comum em um espaço denso e quente no início do universo, permitindo que duas partículas de matéria escura colidissem e se transformassem em duas partículas regulares e vice-versa. 

À medida que o universo se expandia e esfriava, as partículas regulares de matéria não teriam acesso à energia suficiente para colidir e criar matéria escura. As chances de partículas de matéria escura colidirem também se aproximariam de zero. “Se o universo está se expandindo tão rapidamente, as chances estão ficando cada vez menores que as partículas de matéria escura se encontram”, disse Bringmann. Com o tempo, a quantidade de matéria escura no universo se estabilizaria. 

A possível existência de WIMPs também é sugerida por teorias separadas em física de partículas. Mas os físicos usam colisores de partículas e detectores subterrâneos para procurar WIMPs há anos, e ainda não encontraram nenhum.

Isso não significa que os WIMPs não existam. Howard Baer, físico da Universidade de Oklahoma, que não contribuiu para o artigo, disse que é possível que os WIMPS existam, mas estão evitando a detecção. Mas Bélanger disse que, como ninguém viu um WIMP ainda, "as pessoas estão começando a explorar alternativas para explicar essa matéria escura".

Uma explicação alternativa para a produção de matéria escura é um mecanismo de "congelamento". Essa hipótese sugere que pouca ou nenhuma matéria escura existia no início do universo, e a matéria padrão e as partículas de matéria escura estão conectadas por alguma força nova e não descoberta que é mais fraca que a força fraca. No caso de congelamento, partículas de matéria padrão colidiriam e produziriam matéria escura ao longo do tempo, eventualmente se estabilizando na quantidade de matéria escura no universo hoje.

Como o mecanismo de congelamento, o novo mecanismo que Bringmann e colegas propõem começa com uma pequena concentração de partículas de matéria escura e interações entre partículas que são mais fracas que a força fraca. Mas, em vez de afirmar que as colisões de matéria padrão criam matéria escura, eles sugerem que uma matéria escura e uma partícula de matéria padrão podem colidir e produzir duas partículas de matéria escura. Isso levaria a um crescimento exponencial na quantidade de matéria escura, à medida que uma quantidade crescente de matéria escura colide com a matéria regular e produz cada vez mais matéria escura. "Uma vez que você entra nesse tipo de estágio auto-reprodutivo, ele simplesmente explode", disse Bringmann sobre o mecanismo proposto.

Bélanger disse que o mecanismo é "uma alternativa perfeitamente viável, e é interessante considerar".

Os pesquisadores agora devem ajustar esse mecanismo a um modelo maior da evolução da matéria escura no início do universo, disse Nausheen Shah, físico da Wayne State University em Detroit, Michigan, que não contribuiu para o novo artigo. Shah também disse que, embora seja necessário mais construção de modelos, os autores introduzem o básico para um modelo simples intrigante no artigo que poderia funcionar.

Para testar um modelo, os pesquisadores podem pesquisar o que o modelo implica que eles deveriam ver no universo hoje. Bringmann disse que pode ser possível apoiar o modelo simples detectando distorções particulares no fundo de fundo cósmico de micro-ondas.

Este artigo foi originalmente publicado em Inside Science. Leia o original aqui.

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Referência:

SULLIVAN, Will. A new idea for how dark matter came to dominate the universe. Inside Science, 23, dez. 2021. Disponível em: <https://www.insidescience.org/index.php/news/new-idea-how-dark-matter-came-dominate-universe>. Acesso em: 15, mar. 2022.