A Teia da Matéria Escura.

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Na década de 1930, um astrônomo suíço chamado Fritz Zwicky percebeu que as galáxias em um aglomerado distante orbitavam umas às outras muito mais rápido do que deveriam, dada a quantidade de massa visível que tinham. Ele propôs que uma substância invisível, que ele chamou de matéria escura, poderia estar puxando gravitacionalmente essas galáxias.

Desde então, os pesquisadores confirmaram que esse material misterioso pode ser encontrado em todo o cosmos e que é seis vezes mais abundante do que a matéria normal que compõe coisas comuns como estrelas e pessoas. No entanto, apesar de ver matéria escura em todo o universo, os cientistas ainda estão coçando suas cabeças sobre ela. Aqui estão as 11 maiores perguntas sem resposta sobre a matéria escura.

O que é matéria escura?

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Em primeiro lugar, e talvez o mais desconcertante, os pesquisadores permanecem inseguros sobre o que exatamente é a matéria escura. Originalmente, alguns cientistas conjecturaram que a massa ausente no universo era composta de pequenas estrelas fracas e buracos negros, embora observações detalhadas não tenham revelado objetos suficientes para explicar a influência da matéria escura, como o físico Don Lincoln of the U.S. Department of Energy's Fermilab previously relatou. O principal competidor atual para o manto da matéria escura é uma partícula hipotética chamada Weakly Interacting Massive Particle, ou WIMP, que se comportaria como um nêutron, exceto que seria entre 10 e 100 vezes mais pesada do que um próton, como Lincoln escreveu. No entanto, essa conjectura só levou a mais perguntas - por exemplo...

Podemos detectar matéria escura?

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Se a matéria escura é feita de WIMPs, elas deveriam estar ao nosso redor, invisíveis e quase imperceptíveis. Então, por que ainda não encontramos nenhuma? Embora elas não interajam muito com a matéria comum, sempre há uma pequena chance de que uma partícula de matéria escura possa atingir uma partícula normal como um próton ou elétron ao viajar pelo espaço. Assim, os pesquisadores construíram experimentos após experimentos para estudar um grande número de partículas comuns nas profundezas do subsolo, onde são protegidas da radiação interferente que poderia imitar uma colisão de partículas de matéria escura. O problema? Após décadas de busca, nenhum desses detectores fez uma descoberta confiável. No início deste ano, o experimento Chinese PandaX relatou a mais recente não detecção de WIMP. Parece provável que as partículas de matéria escura são muito menores do que WIMPs.

A matéria escura consiste em mais de uma partícula?

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A matéria comum é composta de partículas cotidianas como prótons e elétrons, bem como todo um zoológico de partículas mais exóticas como neutrinos, múons e píons. Portanto, alguns pesquisadores se perguntam se a matéria escura, que constitui 85% da matéria no universo, também pode ser tão complicada. "Não há nenhuma boa razão para supor que toda a matéria escura do universo seja construída a partir de um tipo de partícula", disse o físico Andrey Katz, da Universidade de Harvard. Prótons escuros podem se combinar com elétrons escuros para formar átomos escuros, produzindo configurações tão diversas e interessantes quanto as encontradas no mundo visível, disse Katz. Embora tais propostas tenham sido cada vez mais imaginadas em laboratórios de física, descobrir uma maneira de confirmá-las ou negá-las tem escapado aos cientistas. [Estrange Quarks e muons, meu Deus! As partículas mais ínfimas da natureza dissecadas]

As forças escuras existem?

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Junto com partículas adicionais de matéria escura, existe a possibilidade de que a matéria escura experimente forças análogas às sentidas pela matéria regular. Alguns pesquisadores procuraram por "fótons escuros", que seriam como os fótons trocados entre partículas normais que dão origem à força eletromagnética, exceto que seriam sentidos apenas por partículas de matéria escura. Os físicos na Itália estão se preparando para quebrar um feixe de elétrons e suas antipartículas, conhecidas como pósitrons, em um diamante. Se fótons escuros existem, os pares elétron-pósitron podem se aniquilar e produzir uma das estranhas partículas portadoras de força, potencialmente abrindo um novo setor do universo.

Poderia a matéria escura ser feita de áxions?

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À medida que os físicos cada vez mais se afastam dos WIMPs, outras partículas de matéria escura estão começando a ganhar preferência. Uma das principais substituições é uma partícula hipotética conhecida como áxion, que seria extremamente leve, talvez tão pouco quanto 10 elevada à 31ª potência com menos massa do que um próton. Os áxions agora estão sendo pesquisados em alguns experimentos. Simulações de computador recentes levantaram a possibilidade de que esses áxions pudessem formar objetos parecidos com estrelas, que poderiam produzir radiação detectável, que seria bastante semelhante a fenômenos misteriosos conhecidos como rajadas de rádio rápidas.

Quais são as propriedades da matéria escura?

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Os astrônomos descobriram a matéria escura por meio de suas interações gravitacionais com a matéria comum, sugerindo que esta é a principal forma de tornar sua presença conhecida no universo. Mas ao tentar entender a verdadeira natureza da matéria escura, os pesquisadores têm muito pouco em que avançar. De acordo com algumas teorias, as partículas de matéria escura deveriam ser suas próprias antipartículas, o que significa que duas partículas de matéria escura se aniquilariam uma com a outra quando se encontrassem. O experimento Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) na Estação Espacial Internacional tem buscado sinais reveladores dessa aniquilação desde 2011 e já detectou centenas de milhares de eventos. Os cientistas ainda não têm certeza se eles vêm da matéria escura, e o sinal ainda não os ajudou a identificar exatamente o que é matéria escura.

A matéria escura existe em todas as galáxias?

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Por ter um peso muito maior do que a matéria comum, costuma-se dizer que a matéria escura é a força controladora que organiza grandes estruturas, como galáxias e aglomerados galácticos. Então, foi estranho quando, os astrônomos anunciaram que haviam encontrado uma galáxia chamada NGC 1052-DF2 que parecia conter quase nenhuma matéria escura. "Aparentemente, a matéria escura não é um requisito para a formação de uma galáxias", disse Pieter van Dokkum, da Universidade de Yale. No entanto, durante o verão, uma equipe separada informou uma análise sugerindo que a equipe de van Dokkum havia medido mal a distância até a galáxia, o que significa que sua matéria visível era muito mais escura e mais leve do que as primeiras descobertas e que mais de sua massa estava na matéria escura do que era sugerido anteriormente.

O que há com os resultados do DAMA/LIBRA?

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Um mistério de longa data na física de partículas são os resultados intrigantes de um experimento europeu conhecido como DAMA/LIBRA. Este detector, localizado em uma mina subterrânea abaixo da montanha Gran Sasso, na Itália, está procurando por uma oscilação periódica nas partículas de matéria escura. Essa oscilação deve surgir à medida que a Terra se move em sua órbita ao redor do Sol, enquanto voa através da corrente galáctica de matéria escura que cerca nosso sistema solar, às vezes chamada de vento de matéria escura. Desde 1997, o DAMA/LIBRA afirma ter visto exatamente este sinal, embora nenhum outro experimento tenha visto algo assim.  

A matéria escura poderia ter uma carga elétrica?

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Um sinal do início dos tempos levou alguns físicos a sugerir que a matéria escura pode ter uma carga elétrica. Radiação com comprimento de onda de 21 centímetros foi emitida por estrelas na infância do universo, apenas 180 milhões de anos após o Big Bang. Foi então absorvido pelo hidrogênio frio que se encontrava ao mesmo tempo. Quando essa radiação foi detectada, sua assinatura sugeriu que o hidrogênio estava muito mais frio do que os cientistas previram. O astrofísico Julian Muñoz, da Universidade de Harvard, levantou a hipótese de que a matéria escura com uma carga elétrica poderia ter retirado o calor do hidrogênio onipresente, como cubos de gelo flutuando em uma limonada. Mas a conjectura ainda não foi confirmada.

As partículas comuns podem se decompor em matéria escura?

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Os nêutrons são partículas regulares de matéria com uma vida útil limitada. Após cerca de 14,5 minutos, um nêutron solitário não ancorado de um átomo decairá em um próton, um elétron e um neutrino. Mas duas configurações experimentais diferentes fornecem tempos de vida ligeiramente diferentes para essa decadência, com a discrepância entre elas de cerca de 9 segundos, de acordo com experimentos citados em um estudo na revista Physical Review Letters. Os físicos sugeriram que, se em 1 por cento do tempo, alguns nêutrons decaiam em partículas de matéria escura, isso poderia ser responsável por essa anomalia. Christopher Morris, do Laboratório Nacional de Los Alamos, no Novo México, e sua equipe monitoraram nêutrons em busca de um sinal que poderia ser matéria escura, mas não foi capaz de detectar nada. Eles sugeriram que outros cenários de decomposição ainda podem ser possíveis, de acordo com o estudo.

A matéria escura realmente existe?

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Dadas as dificuldades que os cientistas enfrentaram ao tentar detectar e explicar a matéria escura, um questionador razoável pode se perguntar se eles estão fazendo tudo errado. Por muitos anos, uma minoria vocal de físicos defendeu a ideia de que talvez nossas teorias da gravidade sejam simplesmente incorretas e que a força fundamental funcione de maneira diferente em grandes escalas do que esperamos. Frequentemente conhecida como "dinâmica Newtoniana modificada", ou modelos MOND, essas sugestões postulam que não há matéria escura e as velocidades ultrarrápidas nas quais estrelas e galáxias giram em torno umas das outras é uma consequência da gravidade se comportando de maneiras surpreendentes. "A matéria escura ainda é um modelo não confirmado", escreveu o físico Don Lincoln em uma explicação. No entanto, os detratores ainda precisam convencer o campo mais amplo de suas ideias. E as últimas evidências? Também sugere que a matéria escura é real.

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Referência: 

MANN, Adam. The 11 biggest unanswered questions about dark matter. Live Science, 26, nov. 2018. Disponível em: <https://www.livescience.com/64113-dark-matter-mysteries.html>. Acesso em: 30, jul. 2021.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.