• Começa Com Um Estrondo

5 coisas que sabemos sobre a matéria escura (e 5 que não sabemos)

Esta visualização do superaglomerado Laniakea, que representa uma coleção de mais de 100.000 galáxias estimadas abrangendo um volume de mais de 100 milhões de anos-luz, mostra a distribuição de matéria escura (roxo sombrio) e galáxias individuais (laranja/amarelo brilhante) juntas. Apesar da identificação relativamente recente de Laniakea como o superaglomerado que contém a Via Láctea e muito mais, não é uma estrutura gravitacionalmente ligada e não se manterá unida à medida que o Universo continua a se expandir. (TSAGHKYAN / WIKIMEDIA COMMONS)

A matéria escura é talvez a substância mais misteriosa do Universo. O que exatamente é, no entanto, ainda nos escapa.

A matéria escura é uma das substâncias mais misteriosas e ainda mais onipresentes do Universo. Enquanto coisas como seres humanos, a Terra, o Sol e tudo o que emite ou absorve luz no espaço são todos feitos de matéria normal – incluindo partículas como prótons, nêutrons e elétrons – que representam apenas um sexto de toda a massa no universo. Os restantes cinco sextos, a esmagadora maioria, são matéria escura.

Podemos dizer que a matéria escura existe e até inferir algumas de suas propriedades observando como ela afeta a matéria e a luz que podemos observar, principalmente em ambientes astrofísicos de grande escala. Mas o fato de a matéria escura ter escapado à detecção direta em laboratório até agora significa que várias de suas propriedades permanecem em aberto. Aqui estão cinco coisas que sabemos sobre a matéria escura, juntamente com cinco que não sabemos, enquanto investigamos os limites de nossas fronteiras científicas.

O coração da nebulosa Ômega é destacado por gás ionizado, estrelas brilhantes novas, azuis e massivas e faixas de poeira em primeiro plano que bloqueiam a luz de fundo. Se a matéria normal pudesse assumir a forma de gás, poeira, plasma, buracos negros ou outras fontes não luminosas, muitos esperavam que ela pudesse ser responsável por toda a “massa perdida” sem a necessidade de matéria escura. No entanto, as observações indicam o contrário. (PESQUISA ESO / VST)

1.) A matéria escura não é simplesmente matéria normal que não podemos detectar . Isso é algo totalmente conhecido. A matéria escura não pode ser:

• estrelas fracassadas,
• nuvens de gás,
• grãos de poeira,
• asteróides ou cometas,
• aglomerados de matéria normal do tamanho de uma bola de basquete,
• um plasma ionizado,
• buracos negros,

ou qualquer outra coisa feita originalmente de matéria normal. Temos um conjunto de evidências que exclui essa possibilidade.

Com base nas primeiras e mais primitivas nuvens de gás que já detectamos, podemos medir a quantidade de hidrogênio, deutério, hélio-3, hélio-4 e lítio-7 com que o Universo nasceu logo após o Big Bang. Essas medições determinam exatamente quanta matéria normal o Universo nasceu, e esse valor é apenas um sexto da quantidade necessária de massa total. Os cinco sextos restantes, portanto, devem ser algo totalmente diferente: matéria escura.

As estruturas de matéria escura que se formam no Universo (esquerda) e as estruturas galácticas visíveis que resultam (direita) são mostradas de cima para baixo em um Universo de matéria escura frio, quente e quente. Das observações que temos, pelo menos 98%+ da matéria escura deve ser fria ou quente; quente é descartado. (ITP, UNIVERSIDADE DE ZURIQUE)

2.) A matéria escura deve ser fria por natureza . Em teoria, qualquer partícula (até agora não descoberta) responsável pela matéria escura poderia ter qualquer massa e poderia ter sido criada movendo-se rapidamente ou lentamente ou nada, em relação à velocidade da luz. Mas se a matéria escura se movesse rapidamente, suas propriedades suprimiriam a formação de estrutura em pequenas escalas, levando a estruturas diferentes das que podemos observar.

Em particular, temos três linhas de evidência observacional que restringem a temperatura da matéria escura: a lente gravitacional de quasares com lente quádrupla , características de absorção ao longo da linha de visão para objetos distantes e correntes de maré nas proximidades da Via Láctea. Todos os três nos ensinam a mesma coisa: a matéria escura deve ser bastante pesada ou deve ter nascido em movimento lento. Em outras palavras, a matéria escura deve ter sido fria mesmo nos estágios iniciais do Universo, ao contrário de quente ou quente.

Os resultados dependentes e independentes de spin da colaboração XENON não indicam nenhuma evidência de uma nova partícula de qualquer massa, incluindo o cenário de matéria escura clara que se encaixaria na anomalia Atomki ou matéria escura modestamente mais pesada que se alinharia com DAMA/LIBRA. Uma nova partícula deve ser detectada direta e inequivocamente antes de ser aceita como 'real'.

3.) A matéria escura não deve interagir muito consigo mesma, com a luz ou com a matéria normal . Não há dúvida de que, se a matéria escura existe, deve ter havido um caminho para sua criação no jovem Universo. No entanto, qualquer que tenha sido esse caminho, essas interações não estão mais ocorrendo e não ocorrem com grandes abundâncias há muito tempo.

Experimentos de detecção direta não revelaram a matéria escura, restringindo sua possível massa e seção transversal. Ele não absorve ou borra a luz das estrelas distantes, restringindo suas interações com a luz. Ele não se aniquila consigo mesmo acima de um certo limiar, caso contrário, um sinal de raios gama grande e difuso seria visto nos centros das galáxias. Na verdade, é 100% consistente com não interagir por nenhum desses mecanismos. Se esperamos detectá-lo diretamente, teremos que aumentar ainda mais esses limites e, mesmo assim, não há garantia de um sinal positivo. A matéria escura pode não interagir nessas modas.

Apenas cerca de 1.000 estrelas estão presentes na totalidade das galáxias anãs Segue 1 e Segue 3, que tem uma massa gravitacional de 600.000 sóis. As estrelas que compõem o satélite anão Segue 1 estão circuladas aqui. Se a nova pesquisa estiver correta, a matéria escura obedecerá a uma distribuição diferente dependendo de como a formação estelar, ao longo da história da galáxia, a aqueceu. A proporção de matéria escura para matéria normal de mais de 600 para 1 é a maior proporção já vista na direção favorável à matéria escura. (OBSERVATÓRIOS MARLA GEHA E KECK)

4.) Os efeitos da matéria escura são mais dominantes, em média, nas menores galáxias de todas . Este é um pouco contra-intuitivo, mas foi validado por observação praticamente em todos os lugares que olhamos. Sob as leis da gravitação, todas as formas de matéria são tratadas igualmente. Mas as outras forças, como as forças nucleares e eletromagnéticas, afetam apenas a matéria normal. Quando uma grande explosão de formação de estrelas ocorre em uma galáxia, toda essa radiação simplesmente passa pela matéria escura, mas pode colidir e ser absorvida pela matéria normal.

Isso significa que, se sua galáxia for baixa o suficiente em massa em geral, essa matéria normal pode ser expelida por episódios intensos de formação de estrelas. Quanto menor e com menor massa for sua galáxia, maior será a quantidade de matéria normal que será expelida, enquanto toda a matéria escura permanecerá. Nos exemplos mais marcantes de todos, as galáxias anãs Segue 1 e Segue 3, ambos satélites da Via Láctea, contêm apenas algumas centenas de estrelas, mas cerca de 600.000 massas solares de material no total. A razão matéria escura para matéria normal é de aproximadamente 1000 para 1, em oposição a 5 para 1 na maioria das estruturas de grande escala.

Quatro aglomerados de galáxias em colisão, mostrando a separação entre os raios X (rosa) e a gravitação (azul), indicativo de matéria escura. Em grandes escalas, a matéria escura fria é necessária, e nenhuma alternativa ou substituto servirá. No entanto, mapear a luz de raios-X (rosa) não é necessariamente uma boa indicação da distribuição da matéria escura (azul). (RAIO-X: NASA/CXC/UVIC./A.MAHDAVI ET AL. ÓPTICO/LENSING: CFHT/UVIC./A. MAHDAVI ET AL. (CIMA ESQUERDA); RAIO-X: NASA/CXC/UCDAVIS/W. DAWSON ET AL.; ÓPTICO: NASA/ STSCI/UCDAVIS/ W.DAWSON ET AL. (TOP DIREITO); ESA/XMM-NEWTON/F. GASTALDELLO (INAF/ IASF, MILÃO, ITÁLIA)/CFHTLS (BAIXO ESQUERDO); X -RAY: NASA, ESA, CXC, M. BRADAC (UNIVERSIDADE DA CALIFÓRNIA, SANTA BARBARA), E S. ALLEN (UNIVERSIDADE DE STANFORD) (CAIXA DIREITA))

5.) A matéria escura causa efeitos gravitacionais em lugares onde a matéria normal não está localizada . Esta é uma das evidências mais fortes de que toda a matéria escura não pode ser simplesmente matéria normal escura. Quando dois grupos ou aglomerados de galáxias colidem, o gás intergaláctico e o plasma colidem e aquecem, emitindo raios-X (mostrados em rosa). Isso representa a esmagadora maioria da matéria normal, muito mais do que o encontrado nas estrelas e nas próprias galáxias individuais.

Mas o sinal da massa, inferido da lente gravitacional, ilustra que a maior parte da massa está localizada onde os contornos azuis são mostrados. Isso só pode ser verdade, dada a grande variedade de aglomerados em colisão onde isso foi demonstrado, se alguma nova forma de massa obedecer a leis de colisão diferentes das da matéria normal. A conclusão inevitável é que alguma nova forma de matéria – matéria escura – deve constituir a maior parte da massa do Universo.

No entanto, só porque há coisas que sabemos sobre a matéria escura não significa que sabemos tudo. Na verdade, aqui estão cinco coisas importantes que não sabemos sobre isso.

A busca por partículas de matéria escura nos levou a procurar WIMPs que podem recuar com núcleos atômicos. A Colaboração LZ fornecerá os melhores limites nas seções transversais de WIMP-nucleon de todos, mas os cenários mais motivados para ter uma partícula impulsionada por força fraca na escala eletrofraca ou perto dela compõem 100% da matéria escura já estão descartados . (COLABORAÇÃO LUX-ZEPLIN (LZ) / LABORATÓRIO NACIONAL DE ACELERADOR SLAC)

1.) Não sabemos quais partículas são responsáveis ​​pela matéria escura, ou se é mesmo uma partícula . Sabemos que a matéria escura existe, que não interage significativamente consigo mesma, com a matéria normal ou com a radiação, e que é fria. Mas não sabemos quais propriedades ele realmente tem. A matéria escura pode ser:

• um grande número de partículas de baixa massa que nasceram frias, como um áxion,
• um número menor de partículas de massa mais pesada (WIMPs) que nasceram quentes no início do Universo, como um neutralino,
• um número ainda menor de partículas ultramassivas que surgiram de interações gravitacionais (WIMPzillas),
• uma partícula em escala GUT que surgiu da física que ainda temos que entender completamente (como um neutrino destro pesado),
• ou mesmo um fluido não-partícula que permeia o Universo e gravita.

Mas todos os nossos esforços para detectar diretamente uma partícula ou campo candidato à matéria escura deram errado. Vemos seus efeitos astrofísicos indiretamente, e isso é indiscutível, mas em escalas do tamanho de partículas, não temos ideia do que está acontecendo.

A presença, o tipo e as propriedades dos aglomerados de matéria escura podem influenciar as variações particulares observadas entre as múltiplas imagens em um sistema de lentes quádruplas. O fato de agora termos dados espectroscópicos detalhados de oito desses sistemas permite que informações significativas sejam extraídas sobre a natureza da matéria escura. (NASA, ESA E D. PLAYER (STSCI))

2.) Não sabemos se o setor escuro é simples ou rico . A matéria escura, supondo que seja feita de partículas, é feita do mesmo tipo de partícula? Quer seja tudo o mesmo componente ou não, as partículas de matéria escura se unem e formam estruturas maiores e mais ricas do que partículas meramente destacadas? Existem átomos escuros, moléculas escuras ou estruturas ainda maiores feitas puramente de matéria escura por aí?

Sabemos que a matéria escura não colide inelasticamente consigo mesma e perde quantidades substanciais de momento angular, mas apenas sondamos a estrutura da matéria escura em escalas de alguns milhares de anos-luz. Em escalas menores que isso? É eminentemente possível que exista um universo escuro inteiro lá fora – talvez até incluindo algum tipo de tabela periódica escura – feito de vários tipos diferentes de partículas escuras que interagem umas com as outras. A única restrição é que eles fazem isso em um limite que fica abaixo do que já colocamos restrições.

Este potencial mostra um ponto de equilíbrio instável (bola laranja) e um ponto de equilíbrio mais baixo e estável (azul), com um grau de liberdade restante. Se o potencial então se inclina em uma direção, esse grau de liberdade é removido, e uma partícula semelhante a um áxion pode, de repente, obter massa de uma transição como essa. (FIS. HOJE 66, 12, 28 (2013))

3.) A matéria escura sempre existiu no Universo, ou foi criada em algum momento posterior? Esta é uma das perguntas mais profundas que sabemos fazer, e não sabemos a resposta. É possível que a matéria escura seja o que é conhecido como relíquia térmica, onde:

• nos estágios iniciais do Big Bang quente, todos os tipos de partículas e antipartículas foram criados,
• à medida que o Universo esfria, os instáveis ​​decaem e se aniquilam,
• mas se um deles (até agora não descoberto) for estável, seja ao longo da cadeia de decaimento ou um número suficiente deles sobreviva à aniquilação, isso pode se tornar matéria escura.

Essa é a matéria escura que sempre existiu, pois foi criada assim que o Big Bang quente começou. Mas há outra maneira, enfatizada pelo diagrama acima:

• o Universo esfria, e a bola laranja rola para o vale abaixo, onde se torna a bola ciano,
• essa bola tem um grau de liberdade, onde pode rolar pelo fundo e ocupar todos os pontos com igual probabilidade,
• até que algo apareça para inclinar todo o potencial, o que lhe dá uma direção preferencial, afinal.

Este último cenário corresponde a um cenário do tipo axion, onde essas partículas obtêm uma massa de repouso pequena, mas diferente de zero, e são arrancadas do vácuo quântico em grande número. A matéria escura pode não ter sempre existido, mas pode ter sido criada mais tarde: antes da formação das estrelas e antes da emissão da CMB, mas após os estágios iniciais do Big Bang quente.

A estrutura dos picos do CMB muda dependendo do que está no Universo, assim como os picos e vales presentes no espectro de potência do Universo e outras características de estrutura em grande escala. (W. HU E S. DODELSON, ANN.REV.ASTRON.ASTROPHYS.40:171–216,2002)

4.) A matéria escura é eternamente estável, ou um dia tudo se desintegrará? Esta é outra situação em que tudo o que temos são constrangimentos. A partir dos picos e vales nas flutuações do fundo cósmico de micro-ondas, sabemos que a matéria escura deve ter existido em uma proporção de 5 para 1 com a matéria normal quando o Universo tinha apenas alguns milhares de anos. A partir de observações da estrutura em grande escala e dos centros das galáxias, sabemos que a proporção de matéria escura para matéria normal não mudou em nenhuma quantidade mensurável nos últimos 13,8 bilhões de anos.

Mas a matéria escura pode decair em escalas de tempo maiores do que a idade do Universo, e não teríamos como saber ainda. Uma vida de algumas centenas de bilhões de anos ou mais ainda está na mesa, o que significa que é possível que em um futuro muito distante, talvez mesmo enquanto as estrelas ainda estiverem queimando, a matéria escura se decomponha em matéria normal, antimatéria e/ou radiação, afinal. Até sabermos quais são suas propriedades, isso permanecerá um mistério.

À medida que o detector ADMX é removido de seu ímã, o hélio líquido usado para resfriar o experimento forma vapor. O ADMX é o primeiro experimento no mundo dedicado à busca de áxions como potencial candidato à matéria escura, motivado por uma possível solução para o problema do PC forte. (RAKSHYA KHATIWADA / FNAL)

5.) Algum de nossos experimentos de detecção direta o encontrará, ou este é um esforço infrutífero? Talvez estejamos à beira de encontrar uma pista experimental sobre o que realmente é a matéria escura. Mas talvez não; talvez tudo o que vamos fazer é colocar restrições nas coisas que sabemos medir, como taxas de eventos, seções transversais de espalhamento e propriedades e acoplamentos de partículas potenciais. Não temos como saber se os experimentos que estamos realizando agora são capazes de revelar a natureza da matéria escura, independentemente do que seja.

É possível que recebamos um anúncio de uma partícula candidata de matéria escura em qualquer ponto de uma variedade de experimentos, mas também é possível que as maneiras pelas quais estamos procurando matéria escura nunca dêem frutos. No entanto, não apenas sabemos que a matéria escura existe a partir de evidências astrofísicas, mas descobrimos definitivamente uma grande quantidade de informações sobre o que é, como se comporta e o que não pode ser. Na busca por entender nosso Universo, uma coisa se destaca acima de todas as outras: devemos ser intelectualmente escrupulosos e honestos sobre o que sabemos, o que não sabemos e o que permanece incerto.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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