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Ciência07/07/2022

Qual é a composição da matéria escura? Cientistas conseguem pistas

Concepção artística 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/Universidade de Nova York

07/07/22 - 11h17min

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, publicado 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 tais 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”, disse Cara Giovanetti, doutoranda no Departamento de Física da Universidade de Nova York e principal autora do artigo.

Visualização de simulação de computador que mostra a “teia cósmica”, a estrutura em grande escala do universo. Cada nó brilhante é uma galáxia inteira, enquanto os filamentos roxos mostram onde há 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 primeiros tempos 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 – as galáxias –, e é mostrada em branco. A matéria escura aparece 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 Harvard

Ensinamentos

“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”, acrescentou Giovanetti, descrevendo o método apresentado no estudo.

Na pesquisa, Giovanetti, dois colegas da Universidade de Nova York – Hongwan Liu, pesquisador de pós-doutorado, e Joshua Ruderman, professor associado do Departamento de Física – e a física da Universidade de Princeton (EUA) Mariangela Lisanti focaram 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 procurou um meio de identificar a presença de uma categoria específica de matéria escura – aquela com uma massa entre a do elétron e a do próton – criando modelos que levavam em conta tanto o BBN quanto o CMB.

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

Assinaturas cosmológicas

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 mudando a velocidade com que o universo se expande.

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

“Formas mais leves de matéria escura podem fazer o universo se expandir tão rapidamente que esses elementos não têm chance de se formar”, afirmou 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”, acrescentou ela.

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