O Universo gosta de se esconder à vista de todos. E, por vezes, o que os cientistas não conseguem detetar diz tanto quanto aquilo que aparece nos telescópios.
Um estudo recente avança uma hipótese ousada: a matéria escura pode não ser uma única partícula. Em vez disso, poderá ser composta por dois tipos que atuam em conjunto.
Esta abordagem pode esclarecer porque é que um sinal intrigante surge na Via Láctea, mas não em galáxias muito menores.
Se a ideia estiver certa, muda a forma como se pensa o comportamento da matéria escura em diferentes ambientes do cosmos.
The mystery of dark matter
A matéria escura representa uma grande fatia do Universo, mas ninguém a observou diretamente. A sua existência é inferida através da gravidade.
As galáxias movem-se de maneiras que a matéria visível não consegue justificar, o que indica que algo invisível acrescenta massa.
Muitas teorias defendem que a matéria escura é composta por partículas minúsculas. Quando essas partículas colidem, podem aniquilar-se e libertar energia sob a forma de raios gama. Telescópios como o Fermi Gamma-ray Space Telescope procuram estes sinais.
Os cientistas esperavam encontrar sinais semelhantes em muitas galáxias. Mas as observações contam outra história.
The Milky Way’s strange glow
Astrónomos encontraram um sinal forte de raios gama perto do centro da Via Láctea. O sinal aparece como um brilho intenso e arredondado. Alguns investigadores suspeitam que a matéria escura esteja por trás disso.
“Right now there seems to be an excess of photons coming from an approximately spherical region surrounding the disk of the Milky Way,” explained Gordan Krnjaic from the Fermi National Accelerator Laboratory.
O sinal encaixa no que os cientistas esperam de partículas de matéria escura com uma massa específica. Ainda assim, há outra explicação possível. Uma grande população de objetos chamados pulsares também poderia produzir radiação semelhante.
E o enigma aumenta quando se olha para além da nossa galáxia.
Why dwarf galaxies confuse scientists
As galáxias anãs são pequenas e pouco brilhantes, mas contêm grandes quantidades de matéria escura. Se a matéria escura se comportasse da mesma forma em todo o lado, estas galáxias deveriam apresentar sinais de raios gama parecidos.
“If certain theories of dark matter are true, we should see it in every galaxy, for example in every dwarf galaxy,” said Krnjaic.
No entanto, os cientistas não veem esse sinal em galáxias anãs. Essa ausência cria um problema importante. Nos modelos mais simples, as interações da matéria escura deveriam produzir sinais tanto em galáxias grandes como em pequenas.
Esta discrepância sugere que a matéria escura pode ser menos simples do que se pensava.
Limits of older ideas
Os modelos tradicionais assumem que a matéria escura é composta por um único tipo de partícula. Essas partículas interagem de forma previsível. Nalguns modelos, a taxa de interação mantém-se constante. Noutros, depende da velocidade a que as partículas se movem.
Nenhuma das abordagens explica totalmente o que é observado. A Via Láctea mostra um sinal forte, enquanto as galáxias anãs não mostram nada.
Os cientistas esperavam que as galáxias anãs produzissem sinais muito mais fracos do que os da Via Láctea, mas ainda assim detetáveis com instrumentos melhores.
Como esses sinais não são detetados, parece faltar algo nas teorias atuais.
Two forms of dark matter
Os investigadores propõem que a matéria escura possa ser feita de dois tipos de partículas, em vez de apenas um. Para produzir raios gama, esses dois tipos teriam de se encontrar.
“What we’re trying to point out in this paper is that you could have a different kind of environmental dependence, even if the annihilation probability is constant in the center of the galaxy,” explains Krnjaic.
“Dark matter could straightforwardly be two different particles, and the two different particles need to find each other in order to annihilate.”
O estudo explica que estas partículas existem em dois estados: um mais leve e outro ligeiramente mais pesado (excitado). O estado mais pesado só se forma em determinadas condições.
How energy changes everything
A diferença crucial entre galáxias está na energia. As partículas de matéria escura movem-se mais depressa em galáxias grandes como a Via Láctea. Em galáxias anãs, movem-se muito mais devagar.
O estudo mostra que as partículas precisam de energia suficiente para passarem ao estado mais pesado antes de poderem interagir. Na Via Láctea, têm energia para essa mudança. Nas galáxias anãs, não.
Isto explica porque é que o sinal aparece num caso e não no outro.
“In this way, you get very different predictions for the emission,” said Krnjaic. Esta ideia simples resolve um puzzle antigo sem rejeitar a matéria escura como fonte do sinal.
A changing dark matter population
O estudo também descreve como a matéria escura evolui ao longo do tempo. No Universo primordial, existiam ambos os tipos de partículas. Mais tarde, as partículas mais pesadas tornaram-se raras, porque se converteram em partículas mais leves.
Em galáxias grandes, as colisões podem recriar as partículas mais pesadas. Isso permite que os sinais voltem a surgir. Em galáxias anãs, essa recriação não acontece, porque as partículas não têm energia suficiente.
Assim, cada galáxia pode ter uma mistura diferente de partículas de matéria escura.
What future observations may show
Os cientistas vão testar esta ideia com dados melhores. O Fermi Gamma ray Space Telescope continua a observar galáxias. Missões e telescópios futuros poderão trazer respostas mais claras.
Se, mais tarde, forem detetados raios gama em galáxias anãs, isso pode indicar que ambos os tipos de partículas existem lá. Se o sinal continuar a faltar, pode confirmar que a matéria escura se comporta de forma diferente consoante o ambiente.
O novo modelo sugere que a matéria escura pode deixar pistas de forma desigual pelo espaço. Ao estudar o que se vê e o que permanece ausente, os cientistas aproximam-se da solução de um dos maiores mistérios da ciência.
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