Os físicos acreditam que a maior parte da matéria do Universo é composta por uma substância invisível que só conhecemos por seus efeitos indiretos nas estrelas e galáxias que podemos ver.
Não somos loucos! Sem esta “matéria escura”, o Universo tal como o vemos não faria sentido.
ESA / Hubble & NASA
Mas a natureza da matéria escura é um quebra-cabeça de longa data. No entanto, um novo estudo de Alfred Amruth, da Universidade de Hong Kong e colegas, publicado na Nature Astronomy, usa a curvatura gravitacional da luz para nos aproximar um pouco mais do entendimento.
Invisível, mas onipresente
A razão pela qual pensamos que a matéria escura existe é que podemos ver os efeitos de sua gravidade no comportamento das galáxias. Especificamente, a matéria escura parece representar cerca de 85% da massa do Universo, e a maioria das galáxias distantes que podemos ver parecem estar cercadas por um halo da substância misteriosa.
Mas é chamada de matéria escura porque não emite luz, nem a absorve ou reflete, o que a torna incrivelmente difícil de detectar.
Então, o que é isso? Achamos que deve ser algum tipo de partícula fundamental desconhecida, mas além disso não temos certeza. Todas as tentativas de detectar partículas de matéria escura em experimentos de laboratório até agora falharam, e os físicos vêm debatendo sua natureza há décadas.
Os cientistas propuseram dois candidatos hipotéticos principais para a matéria escura: caracteres relativamente pesados chamados partículas massivas de interação fraca (ou WIMPs) e partículas extremamente leves chamadas axions.
Em teoria, os WIMPs se comportariam como partículas discretas, enquanto os axions se comportariam muito mais como ondas devido à interferência quântica.
Tem sido difícil distinguir entre essas duas possibilidades – mas agora a luz curvada em torno de galáxias distantes oferece uma pista.
Lentes gravitacionais e anéis de Einstein
Quando a luz que viaja pelo Universo passa por um objeto massivo como uma galáxia, seu caminho é desviado porque – de acordo com a teoria da relatividade geral de Albert Einstein – a gravidade do objeto massivo distorce o espaço e o tempo ao seu redor.
Como resultado, às vezes, quando olhamos para uma galáxia distante, podemos ver imagens distorcidas de outras galáxias atrás dela. E se as coisas se alinharem perfeitamente, a luz da galáxia de fundo será espalhada em um círculo ao redor da galáxia mais próxima.
Essa distorção da luz é chamada de “lente gravitacional” e os círculos que ela pode criar são chamados de “anéis de Einstein”.
Ao estudar como os anéis ou outras imagens obtidas por lentes são distorcidas, os astrônomos podem aprender sobre as propriedades do halo de matéria escura que circunda a galáxia mais próxima.
Axions vs WIMPs
Várias imagens de uma imagem de fundo criada por lentes gravitacionais podem ser vistas no sistema HS 0810+2554. (Telescópio Espacial Hubble/NASA/ESA)
E é exatamente isso que Amruth e sua equipe fizeram em seu novo estudo. Eles observaram vários sistemas onde várias cópias do mesmo objeto de fundo eram visíveis ao redor da galáxia de primeiro plano, com foco especial em uma chamada HS 0810+2554.
Usando modelagem detalhada, eles descobriram como as imagens seriam distorcidas se a matéria escura fosse feita de WIMPs versus como seriam se a matéria escura fosse feita de axions. O modelo WIMP não se parecia muito com o real, mas o modelo axion reproduzia com precisão todos os recursos do sistema.
O resultado sugere que os áxions são um candidato mais provável para a matéria escura, e sua capacidade de explicar anomalias de lentes e outras observações astrofísicas deixou os cientistas entusiasmados.
Partículas e galáxias
A nova pesquisa se baseia em estudos anteriores que também apontaram para os áxions como a forma mais provável de matéria escura.
Por exemplo, um estudo analisou os efeitos da matéria escura do áxion no fundo cósmico de micro-ondas, enquanto outro examinou o comportamento da matéria escura em galáxias anãs.
Embora esta pesquisa ainda não termine o debate científico sobre a natureza da matéria escura, ela abre novos caminhos para testes e experimentos. Por exemplo, futuras observações de lentes gravitacionais poderiam ser usadas para sondar a natureza ondulatória dos axions e potencialmente medir sua massa.
Uma melhor compreensão da matéria escura terá implicações para o que sabemos sobre a física de partículas e o início do Universo. Também poderia nos ajudar a entender melhor como as galáxias se formam e mudam ao longo do tempo.
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