Um novo estudo sobre o Universo primordial, liderado pelo Centro Nacional de Investigação Nuclear da Polónia, acaba de indicar que poderá existir uma interação entre dois dos componentes mais difíceis de detetar no cosmos.
Ao cruzarem diferentes tipos de observações, os cosmólogos concluíram que os dados ficam mais fáceis de interpretar se os neutrinos - as chamadas “partículas-fantasma” - tiverem uma interação fraca com a matéria escura.
Com um nível de certeza incómodo de 3 sigma, o sinal não é suficientemente robusto para ser definitivo, mas também é forte demais para ser apenas uma sugestão ténue ou ruído estatístico.
Se esta pista se confirmar, pode abrir caminho a um pequeno alargamento do Modelo Cosmológico Padrão: em vez de assumir que a matéria escura é totalmente “sem colisões”, passaria a admitir-se um espalhamento muito subtil entre neutrinos e matéria escura.
Neutrinos e matéria escura: os componentes mais esquivos do Universo
Os neutrinos e a matéria escura partilham uma característica: mal interagem com praticamente tudo.
Os neutrinos estão entre as partículas mais abundantes do Universo. São produzidos em grandes quantidades em ambientes muito energéticos, como explosões de supernovas e a fusão atómica que ocorre no interior das estrelas - por isso, estão praticamente em toda a parte.
Ainda assim, não têm carga elétrica, possuem uma massa extremamente pequena e interagem tão pouco com as outras partículas que atravessam a matéria quase sem deixar rasto. Neste momento, centenas de milhares de milhões de neutrinos estão a atravessar o seu corpo. Ocasionalmente, um neutrino colide com outra partícula e gera uma cascata de partículas de decaimento e fotões - um fenómeno tão raro que exige instrumentação especializada, muitas vezes instalada no subsolo, para ser detetado.
A matéria escura, por seu lado, não parece interagir com a matéria comum - com exceção da gravidade. A evidência mais forte para a sua existência vem de efeitos gravitacionais, como as velocidades de rotação das galáxias e a deformação do espaço-tempo, que não se explicam apenas com matéria normal. Esses sinais apontam para que cerca de 85 por cento da matéria do Universo seja composta por matéria “escura”, invisível para nós.
A hipótese de estes dois elementos extremamente evasivos poderem interagir não é nova: desde o início dos anos 2000 que existem trabalhos teóricos a sugerir que poderão “conviver” de formas ainda não detetadas.
O que motiva a procura de interações entre neutrinos e matéria escura
Nos últimos anos, vários artigos apresentaram indícios cautelosos de que poderão existir interações neutrino–matéria escura. O novo estudo, liderado pelo físico Lei Zu - que realizou o trabalho no Centro Nacional de Investigação Nuclear da Polónia e atualmente está no Observatório Astronómico Nacional do Japão - procurou levar esta ideia para lá do plano teórico, com o objetivo de esclarecer uma das maiores dificuldades atuais da cosmologia.
O problema torna-se evidente quando comparamos “retratos” do Universo primitivo com o Universo recente. Esses retratos iniciais são dados, por exemplo, pelo fundo cósmico de micro-ondas (CMB) e pelas oscilações acústicas dos bariões (BAO).
O CMB é um vestígio da primeira luz que passou a viajar livremente pelo Universo cerca de 380,000 anos após a Grande Explosão; as BAO são estruturas em grande escala deixadas por uma onda acústica que se propagou no Universo inicial e ficou “congelada” quando o meio por onde se deslocava se tornou demasiado difuso para a sustentar.
Quando se extrapolam CMB e BAO até à idade atual do Universo - 13.8 mil milhões de anos - usando o modelo padrão da cosmologia, obtém-se um Universo que, nas simulações, surge consideravelmente mais “aglomerado” do que aquele que observamos à nossa volta.
“Esta tensão não significa que o modelo cosmológico padrão esteja errado, mas pode sugerir que está incompleto”, explica a cosmóloga Eleonora Di Valentino, da Universidade de Sheffield, no Reino Unido. “O nosso estudo mostra que interações entre matéria escura e neutrinos podem ajudar a explicar esta diferença, oferecendo novas pistas sobre como se formou a estrutura no Universo.”
Como o estudo foi feito (CMB, BAO e Levantamento da Energia Escura)
Num esforço coordenado, a equipa reuniu um dos conjuntos de dados combinados mais abrangentes até hoje para testar interações neutrino–matéria escura tanto no Universo inicial como no tardio. No conjunto, incluíram:
- duas observações distintas do CMB;
- três conjuntos de dados de BAO;
- medições do Levantamento da Energia Escura, que está a mapear o céu para caracterizar a distribuição de matéria escura e energia.
Em seguida, executaram simulações cosmológicas separadamente para cada conjunto de dados de CMB e de BAO, antes de os combinarem. Mas introduziram um ingrediente adicional no modelo: interações de espalhamento entre neutrinos e matéria escura.
Os resultados apontaram para uma preferência ligeira por espalhamento quando se analisam os conjuntos individualmente, fazendo com que o Universo simulado se pareça um pouco mais com o Universo real atual do que uma simulação sem espalhamento. Já quando os dados são combinados, essa preferência torna-se muito mais marcada, atingindo um nível de certeza de 3 sigma.
Ainda está muito longe de ser uma confirmação, mas está alinhado com resultados anteriores e é suficientemente forte para justificar análises adicionais.
O que estaria em jogo se a interação se confirmar
“Se esta interação entre matéria escura e neutrinos for confirmada, seria um avanço fundamental”, afirma o físico teórico e cosmólogo William Giarè, da Universidade do Hawaiʻi, anteriormente na Universidade de Sheffield.
“Não só lançaria nova luz sobre uma discrepância persistente entre diferentes provas cosmológicas, como também daria aos físicos de partículas uma direção concreta, indicando que propriedades procurar em experiências de laboratório para ajudar a revelar, finalmente, a verdadeira natureza da matéria escura.”
O “se” é decisivo - mas estes enigmas têm sido suficientemente desconcertantes para que esta linha de investigação seja particularmente apelativa.
“Explicar e testar com rigor um efeito tão claro exige ir além das aproximações típicas usadas na cosmologia de partículas”, conclui o físico teórico Sebastian Trojanowski, do Centro Nacional de Investigação Nuclear da Polónia, “o que será alvo de investigação adicional.”
Os resultados foram publicados na revista Astronomia da Natureza.
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