A misteriosa matéria pode ter vindo de bolsas quânticas que foram comprimidas no início do universo.

A impressão de um artista sobre a matéria escura no início do universo. Crédito da imagem: Shutterstock

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A matéria escura - a substância misteriosa que exerce gravidade, mas não interage com a luz, pode ser feita de minúsculos buracos negros que permeiam o universo. E de acordo com uma nova teoria, esses buracos negros podem ter sido feitos de bolas de Fermi, ou "bolsas" quânticas de partículas subatômicas conhecidas como férmions que se amontoaram em bolsas densas durante a infância do universo.

A teoria poderia explicar por que a matéria escura passou a dominar o universo.

"Descobrimos que, em alguns casos, as bolas de Fermi são tão densas que os férmions estão muito próximos uns dos outros, provocando o colapso de uma bola de Fermi [em] um buraco negro", disse Ke-Pan Xie, pesquisador do Centro para Física Teórica na Universidade Nacional de Seul, na Coreia do Sul.

Xie e o colaborador Kiyoharu Kawana, também do Center for Theoretical Physics, criaram um cenário para explicar como a matéria escura passou a dominar o universo: Em meio a uma transformação incrível quando o cosmos tinha menos de um segundo, um novo tipo de partícula ficou presa, colapsando a um ponto tão pequeno que se transformou em buracos negros. Esses buracos negros então inundaram o universo, fornecendo o peso necessário para explicar a matéria escura.

O caso dos buracos negros primordiais

Astrônomos e físicos não conseguem explicar a matéria escura, a substância misteriosa que compõe mais de 80% da massa de toda grande estrutura, desde galáxias até a própria teia cósmica, no universo.

Uma possibilidade intrigante é que a matéria escura se originou de buracos negros. Afinal, os buracos negros, como a matéria escura, não emitem luz. "Como um tipo de objeto não luminoso e compacto, os buracos negros são uma explicação natural para a matéria escura", disse Xie.

Mas os astrônomos sabem há muito tempo que buracos negros normais de massa estelar não podem explicar a matéria escura do universo. Isso porque não se formaram estrelas suficientes na história do universo para criar buracos negros suficientes para dar conta da matéria escura conhecida.

Mas os primeiros momentos do universo apresentaram uma física bastante impressionante. Talvez o que quer que estivesse acontecendo naquela época tenha gerado trilhões de buracos negros menores. Esses buracos negros podem persistir até os dias atuais, potencialmente resolvendo o enigma da matéria escura.

Mas para explicar a matéria escura, a teoria teria que fazer buracos negros suficientes.

Impressão artística de um buraco negro. Os buracos negros primordiais podem formar matéria escura, de acordo com algumas teorias. Crédito da imagem: Shutterstock

Um universo espumoso

Xie e Kawana adicionaram vários ingredientes ao seu modelo, que é descrito em um artigo publicado em junho no banco de dados de pré-impressão arXiv. (O artigo ainda não foi revisado por pares.) Eles começaram com um universo muito jovem, muito quente e muito denso. Essas condições extremas permitem alguns processos físicos que não acontecem nas condições normais do universo atual.

O primeiro ingrediente é algo chamado campo escalar, que é uma entidade da mecânica quântica que abrange todo o espaço. (O conhecido campo de Higgs, que dá à matéria sua massa, é um exemplo de um) À medida que o universo se expandia e esfriava, esse campo escalar passou por uma transição de fase, passando de um estado mecânico quântico para outro.

Essa transição de fase não aconteceu de uma vez em todo o universo. Em vez disso, houve alguns pontos onde a transição começou e depois se espalhou, assim como algumas bolhas em uma panela de água fervente se fundem para formar bolhas maiores, disse Xie. 

"Este processo é chamado de transição de fase de primeira ordem: a água é transferida da 'fase líquida' para a 'fase gasosa' e o último existe primeiro como bolhas crescentes", disse Xie.

O novo estado do campo escalar, chamado de "estado fundamental", se espalha a partir desses pontos como um monte de bolhas efervescentes. Eventualmente, as bolhas se fundem completamente e o campo escalar termina sua transição.

Como fazer uma bola de Fermi

Para fazer buracos negros primordiais que semeiam matéria escura, entretanto, Xie e Kawana precisavam de outro ingrediente. Então, eles adicionaram um novo tipo de férmion ao modelo. Os férmions são uma categoria de partículas que constituem os blocos de construção do universo. Por exemplo, os elétrons, prótons e nêutrons que constituem os átomos em seu corpo são todos férmions.

No início do universo, esses férmions se moviam livremente no campo escalar. Mas, de acordo com a receita que Xie e Kawana criaram, esses férmions não conseguiam penetrar nas pequenas bolhas espumantes do novo estado fundamental do cosmos à medida que a transição de fase prosseguia.

Conforme as bolhas cresciam, os férmions se amontoavam nos bolsos restantes, tornando-se bolas de Fermi. E foi aí que as coisas ficaram realmente confusas para eles.

Isso porque havia uma força adicional, conhecida como interação Yukawa, entre os férmions, causada por esse mesmo campo escalar, Xie e Kawana propuseram no artigo. Normalmente, os férmions não gostam de ser amontoados em pequenos volumes, mas o campo escalar acrescentou uma força atrativa que poderia sobrepujar essa repulsão natural, teorizaram.

Por exemplo, prótons e nêutrons são feitos de partículas ainda menores, chamadas de quarks. Quarks são férmions e normalmente se odeiam, mas uma força extra, a força forte, os une. Essa força pode ser modelada como uma interação Yukawa, semelhante à física do universo inicial em jogo no modelo de Xie e Kawana.

Assim que a atração Yukawa assumiu o controle, o jogo acabou para as pequenas bolas de Fermi, de acordo com a teoria de Xie e Kawana. Encravados em pequenos bolsões de um universo em rápida mudança, os aglomerados de férmions colapsaram catastroficamente, formando um grande número de buracos negros.

Esses buracos negros sobreviveram até o final da transição de fase, continuando a inundar o universo como matéria escura.

Pelo menos, essa é a ideia. É uma sugestão radical, mas quando se trata da física do universo primitivo, e do mistério em torno da matéria escura, precisamos de algumas sugestões radicais, junto com uma boa dose de observações, para fazer progresso.

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Referência:

SUTTER, Paul. Is dark matter made of 'Fermi balls' forged in the Big Bang? Live Science, 01, set. 2021. Disponível em: <https://www.livescience.com/dark-matter-fermi-balls.html>. Acesso em: 01, set. 2021.