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Pergunte a Ethan: Os Gravitons poderiam resolver o mistério da matéria escura?

A gravidade quântica tenta combinar a teoria geral da relatividade de Einstein com a mecânica quântica. As correções quânticas à gravidade clássica são visualizadas como diagramas de loop, como o mostrado aqui em branco. Se os grávitons são massivos e podem ser criados com sucesso com as propriedades certas, talvez eles possam compensar a matéria escura que falta no Universo. (LACELERATOR LABORATÓRIO NACIONAL DO SLAC)

A matéria escura deve gravitar, então por que o gráviton não conseguiu resolvê-lo?

Uma das observações mais intrigantes sobre o Universo é que não há matéria suficiente – pelo menos, matéria que conhecemos – para explicar como vemos as coisas gravitando. Nas escalas do Sistema Solar, a Relatividade Geral e as massas que observamos fazem o trabalho muito bem. Mas em escalas maiores, os movimentos internos de galáxias individuais indicam a presença de mais massa do que observamos. As galáxias em aglomerados se movem muito rapidamente, enquanto os raios X revelam uma quantidade insuficiente de matéria normal. Mesmo em escalas cósmicas, massa extra deve estar presente para explicar as lentes gravitacionais, a teia cósmica e as imperfeições no brilho remanescente do Big Bang. Enquanto normalmente invocamos uma nova partícula de algum tipo, uma ideia intrigante é puramente gravitacional: a matéria escura poderia ser feita apenas de grávitons? É isso que Neil Graham quer saber, enquanto escreve para perguntar:

Por que a matéria escura não poderia ser grávitons? Os grávitons são indefinidos, assim como a matéria escura. Sabemos que a matéria escura tem gravidade. Por que não poderia ser feito das partículas míticas do gráviton?

Por que a matéria escura não poderia ser grávitons? Ou, melhor ainda, os grávitons poderiam compor parte ou toda a matéria escura? Vamos olhar para o que sabemos e ver quais possibilidades permanecem.

Este trecho de uma simulação de formação de estrutura, com a expansão do Universo em escala, representa bilhões de anos de crescimento gravitacional em um Universo rico em matéria escura. Observe que filamentos e aglomerados ricos, que se formam na interseção dos filamentos, surgem principalmente devido à matéria escura; a matéria normal desempenha apenas um papel menor. (RALF KÄHLER E TOM ABEL (KIPAC)/OLIVER HAHN)

A primeira coisa que temos que considerar é, astrofisicamente, o que já sabemos sobre o Universo, porque o próprio Universo é onde obtemos todas as informações que sabemos sobre a matéria escura. A matéria escura deve ser:

• clumpy, o que nos diz que ele precisa ter uma massa de repouso diferente de zero,
• sem colisões, no sentido de que não pode colidir (muito, se é que colidiu) com matéria normal ou fótons,
• minimamente auto-interagindo, o que significa que existem restrições bastante rígidas sobre o quanto a matéria escura pode colidir e interagir com outras partículas de matéria escura,
• e frio, o que significa que - mesmo nos primeiros tempos do Universo - esse material precisa se mover lentamente em comparação com a velocidade da luz.

Além disso, quando olhamos para o Modelo Padrão de partículas elementares, descobrimos, definitivamente, que não existem partículas que já existam que sejam boas candidatas à matéria escura.

Prevê-se que as partículas e antipartículas do Modelo Padrão existem como consequência das leis da física. Embora descrevamos quarks, antiquarks e glúons como tendo cores ou anticolores, isso é apenas uma analogia. A ciência real é ainda mais fascinante. Nenhuma das partículas ou antipartículas pode ser a matéria escura que nosso Universo precisa. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Qualquer partícula com carga elétrica é eliminada, assim como as instáveis ​​que decairiam. Neutrinos são muito leves; eles nasceram quentes e representariam um tipo de matéria escura muito diferente do que temos, além disso, com base em nossas medições cósmicas, eles só podem representar cerca de 1% da matéria escura, no máximo. Partículas compostas, como o nêutron, se aglomerariam e se agrupariam, perdendo momento e momento angular de forma muito significativa; eles são muito auto-interativos. E as outras partículas neutras, como os glúons, também se acoplariam fortemente às outras coisas normais lá fora; eles são muito colisionais.

Seja o que for que a matéria escura é feita, não é nenhuma das partículas que conhecemos. Sem essas restrições – já que a hipótese nula é definitivamente descartada – estamos livres para especular sobre o que poderia ser a matéria escura. E embora certamente não seja a opção mais popular, há muitas razões pelas quais alguém pode querer considerar o gráviton.

Quando ocorre um evento de microlente gravitacional, a luz de fundo de uma estrela fica distorcida e ampliada à medida que uma massa intermediária viaja através ou perto da linha de visão da estrela. O efeito da gravidade interveniente dobra o espaço entre a luz e nossos olhos, criando um sinal específico que revela a massa e a velocidade do objeto em questão. (JAN SKOWRON / OBSERVATÓRIO ASTRONÔMICO, UNIVERSIDADE DE VARSÓVIA)

Razão #1: a gravidade existe, e é muito provável que seja de natureza quântica . Ao contrário de muitos dos candidatos à matéria escura que são mais comumente falados, há muito menos especulação associada ao gráviton do que quase qualquer outra ideia na física além do modelo padrão. De fato, se a gravidade, como as outras forças conhecidas, for inerentemente quântica por natureza, então é necessária a existência de um gráviton. Isso contrasta com muitas outras opções, incluindo:

• a partícula supersimétrica mais leve, que exigiria a existência da supersimetria, apesar da montanha de evidências de que ela não existe,
• a partícula Kaluza-Klein mais leve, que exigiria dimensões extras para existir, apesar da completa falta de evidências para elas,
• um neutrino estéril, que exigiria física adicional no setor de neutrinos e é altamente limitado por observações cosmológicas,
• ou um áxion, o que exigiria a existência de pelo menos um novo tipo de campo fundamental,

entre muitos outros candidatos. A única suposição de que precisamos, para ter grávitons no Universo, é que a gravidade é inerentemente quântica, em vez de ser descrita pela teoria clássica da Relatividade Geral de Einstein em todas as escalas.

Todas as partículas sem massa viajam na velocidade da luz, mas as diferentes energias dos fótons se traduzem em diferentes tamanhos de comprimento de onda. Com um limite superior minúsculo nas massas de ambos os fótons e grávitons, suas energias teriam que ser incrivelmente pequenas para que eles se movessem a uma velocidade lenta o suficiente para distingui-la do limite cósmico de uma partícula verdadeiramente sem massa. (NASA/SONOMA STATE UNIVERSITY/AURORE SIMONNET)

Razão #2: os grávitons não são necessariamente sem massa . Em nosso Universo, você só pode se agrupar e formar uma estrutura vinculada, gravitacionalmente, se tiver uma massa de repouso diferente de zero. Em teoria, um gráviton seria uma partícula de spin-2 sem massa que media a força gravitacional. Observacionalmente, a partir da chegada das ondas gravitacionais (que elas mesmas, se a gravidade é quântica, deveriam ser feitas de grávitons energéticos), temos restrições muito fortes em quão massivo um gráviton pode ser: se ele tem uma massa de repouso, tem que ser menor que cerca de ~10^–55 gramas.

Mas, por menor que seja esse número, é consistente apenas com a solução sem massa; não exige que o gráviton não tenha massa. De fato, se houver acoplamentos quânticos com certas outras partículas, pode acontecer que o próprio gráviton tenha uma massa de repouso e, se for esse o caso, eles podem se agrupar. Em números suficientemente grandes, eles poderiam até constituir parte ou toda a matéria escura do Universo. Lembre-se: massivos, sem colisões, minimamente autointerativos e frios são os critérios astrofísicos que temos sobre a matéria escura, portanto, se os grávitons são massivos – e embora não esperemos que sejam, eles poderia ser - eles poderiam ser um novo candidato à matéria escura.

Se imaginarmos o caso extremo de um planeta grande e massivo em órbita próxima ao redor de um objeto colapsado, como uma anã branca (ou melhor, uma estrela de nêutrons), poderíamos calcular teoricamente a taxa de interação esperada entre o planeta e os grávitons vindos do planeta. objeto central. Um esperado 1 gráviton interagiria a cada 10 anos para um planeta com a massa de Júpiter orbitando perto de uma estrela de nêutrons: probabilidades não muito favoráveis. (MARK GARLICK, UNIVERSITY COLLEGE LONDON, UNIVERSITY OF WARWICK E UNIVERSITY OF SHEFFIELD)

Razão #3: os grávitons já são extremamente sem colisões . Na física, sempre que você tem dois quanta que ocupam o mesmo espaço ao mesmo tempo, há uma chance de que eles interajam. Se houver uma interação, os dois objetos podem trocar momento e/ou energia; eles podem voar novamente, ficar juntos, aniquilar ou criar espontaneamente novos pares partícula-antipartícula se houver energia suficiente. Independentemente do tipo de interação que ocorre, a probabilidade cumulativa de tudo o que pode ocorrer é descrita por uma propriedade física importante: uma seção transversal de espalhamento.

Se sua seção transversal for 0, você é considerado sem interação ou completamente sem colisão. Se os grávitons obedecer a física que esperamos que eles obedeçam , podemos realmente calcular a seção transversal: é diferente de zero, mas detectar até mesmo um gráviton é extremamente improvável. Como um estudo de 2006 demonstrou , um planeta com a massa de Júpiter em órbita apertada em torno de uma estrela de nêutrons interagiria com aproximadamente um gráviton por década, o que é suficiente sem colisões para se encaixar na descrição da matéria escura. (Seu seção transversal com fótons é comparavelmente risível em quão minúsculo é.) Então, nessa frente, os grávitons não têm nenhum problema como candidato à matéria escura.

Quando uma onda gravitacional passa por um local no espaço, ela causa uma expansão e uma compressão em tempos alternados em direções alternadas, fazendo com que os comprimentos dos braços do laser mudem em orientações mutuamente perpendiculares. Explorar essa mudança física é como desenvolvemos detectores de ondas gravitacionais bem-sucedidos, como LIGO e Virgo. Se duas ondas gravitacionais interagissem uma com a outra, as ondas passariam principalmente uma pela outra, com apenas uma pequena fração da(s) onda(s) total(is) exibindo propriedades de colisão. (ESA-C. CARREAU)

Razão #4: os grávitons têm autointerações extraordinariamente baixas . Uma das perguntas que geralmente me fazem é se é possível surfar ondas gravitacionais ou se, se duas ondas gravitacionais colidissem, elas interagiriam como ondas de água se chocando. A resposta para a primeira é não e a segunda é sim, mas mal: as ondas gravitacionais – e, portanto, os grávitons – interagem dessa maneira, mas a interação é tão pequena que é completamente imperceptível.

A forma como quantificamos as ondas gravitacionais é através de suas amplitude de tensão , ou a quantidade que uma onda gravitacional de passagem fará com que o próprio espaço ondule quando as coisas passarem por ele. Quando duas ondas gravitacionais interagem, a porção principal de cada onda apenas se sobrepõe à outra, enquanto a porção que faz outra coisa além de passar uma pela outra é proporcional à amplitude de deformação de cada uma multiplicada. Dado que as amplitudes de deformação são tipicamente coisas como ~10^–20 ou menores, o que exige um tremendo esforço para detectar, ficar mais de 20 ordens de magnitude mais sensível é praticamente inimaginável com as limitações da tecnologia atual. Qualquer outra coisa que possa ser verdade sobre os grávitons, suas autointerações podem ser desconsideradas.

Mas algumas das propriedades dos grávitons representam um desafio para eles serem um candidato viável à matéria escura. Na verdade, existem duas grandes dificuldades que os grávitons enfrentam e por que eles raramente são considerados opções atraentes.

Quando uma simetria é restaurada (bola amarela no topo), tudo é simétrico e não há estado preferencial. Quando a simetria é quebrada em energias mais baixas (bola azul, fundo), a mesma liberdade, de todas as direções sendo as mesmas, não está mais presente. No caso da quebra de simetria Peccei-Quinn, essa inclinação final para o potencial em forma de chapéu arranca áxions do vácuo quântico praticamente sem energia cinética; um processo semelhante precisaria ocorrer para dar origem a grávitons frios. (FIS. HOJE 66, 12, 28 (2013))

Dificuldade #1: é muito difícil gerar grávitons frios . Em nosso Universo, quaisquer partículas que existam terão uma certa quantidade de energia cinética, e essa energia determina a rapidez com que elas se movem pelo Universo. À medida que o Universo se expande e essas partículas viajam pelo espaço, uma de duas coisas acontecerá:

• ou a partícula perderá energia à medida que seu comprimento de onda se estende com a expansão do Universo, o que ocorre para partículas sem massa,
• ou a partícula perderá energia à medida que a distância que ela pode percorrer em um determinado período de tempo diminui, devido às distâncias cada vez maiores entre dois pontos, se for uma partícula massiva.

Em algum momento, independentemente de como nasceu, todas as partículas massivas acabarão se movendo lentamente em comparação com a velocidade da luz: tornando-se não relativísticas e frias.

A única maneira de conseguir isso, para uma partícula com massa tão baixa (como um graviton massivo teria), é fazê-la nascer fria, onde ocorre algo para criá-la com uma quantidade desprezível de energia cinética, apesar de ter uma massa que deve ser inferior a 10^–55 gramas. A transição que os criou, portanto, deve ser limitada pela Princípio da incerteza de Heisenberg : se o tempo de criação deles ocorrer em um intervalo menor que cerca de 10 segundos, a incerteza de energia associada será muito grande para eles e, afinal, eles serão relativísticos.

De alguma forma - talvez com semelhanças com a geração teórica do áxion - eles precisam ser criados com uma quantidade extremamente pequena de energia cinética, e essa criação precisa ocorrer em um período de tempo relativamente longo no cosmos (comparado com a pequena fração de intervalo de tempo de um segundo para a maioria desses eventos). Não é necessariamente um problema, mas é um obstáculo difícil de superar, exigindo um conjunto de novas físicas que não são fáceis de justificar.

Uma ilustração do espaço-tempo fortemente curvo para uma massa pontual, que corresponde ao cenário físico de estar localizado fora do horizonte de eventos de um buraco negro. Se a gravidade for mediada por uma partícula massiva portadora de força, haverá um desvio das leis de Newton e de Einstein que são severas em grandes distâncias. O fato de não observarmos isso nos dá restrições rígidas a tais desvios, mas não pode descartar a gravidade maciça. (USUÁRIO DO PIXABAY JOHNSONMARTIN)

Dificuldade nº 2: apesar de nossas esperanças teóricas, os grávitons (e fótons e glúons) são provavelmente sem massa . Até que algo seja experimentalmente ou observacionalmente estabelecido, é particularmente difícil descartar alternativas à ideia principal de como deve se comportar. Com grávitons – como com fótons e glúons, as únicas outras partículas verdadeiramente sem massa que conhecemos – só podemos colocar restrições sobre o quão massivo eles podem ser. Temos limites superiores de tensão variável, mas não temos como restringi-lo totalmente a zero.

O que podemos notar, no entanto, é que, se qualquer uma dessas partículas teoricamente sem massa tiver uma massa de repouso diferente de zero, teríamos que contar com vários fatos desconfortáveis.

• A gravidade e o eletromagnetismo, se o gráviton ou o fóton forem massivos, não serão mais forças de alcance infinito.
• Se a partícula portadora de força for massiva, então as ondas gravitacionais e/ou a luz não viajariam a c , a velocidade da luz no vácuo, mas sim uma velocidade mais lenta que simplesmente não conseguimos medir até agora.
• E você consegue uma teoria diferente da Relatividade Geral no limite que você leva a massa do gráviton a zero, uma patologia que requer uma série de suposições indiscutivelmente mais desconfortáveis para eliminar. (Em particular, eles não permita que o Universo seja plano , que observamos; apenas aberto, e que em si contém instabilidades que podem ser problemas.)

Embora a ideia de gravidade massiva tenha despertado muito interesse na última década, incluindo o progresso recente estimulado em grande parte da pesquisa de Claudia de Rham , continua a ser uma ideia altamente especulativa que pode não ser viável no âmbito do que já foi estabelecido sobre o nosso Universo.

Nesta imagem, um conjunto massivo de galáxias no centro faz com que muitas características de lentes fortes apareçam. As galáxias de fundo têm sua luz dobrada, esticada e distorcida em anéis e arcos, onde também é ampliada pela lente. Este sistema de lentes gravitacionais é complexo, mas informativo para aprender mais sobre a relatividade de Einstein em ação. Ela restringe, mas não pode eliminar, a possibilidade de grávitons como matéria escura. (KPNO/CTIO/NOIRLAB/NSF/AURA/LEGACY IMAGING SURVEY)

O que é notável é que não fazemos mais perguntas como, por que a matéria escura não poderia ser grávitons? Em vez disso, perguntamos, se quiséssemos que a matéria escura fosse grávitons, quais propriedades ela precisaria ter? A resposta, como todos os candidatos à matéria escura, é que ela precisa ser fria, sem colisões, com autointerações altamente restritas e massiva. Embora os grávitons certamente se encaixem na conta de não terem colisões e quase não interagirem sozinhos, eles geralmente são considerados sem massa, não massivos, e mesmo que fossem massivos, gerar versões frias de grávitons é algo que ainda não sabemos como façam.

Mas isso não é suficiente para descartar esses cenários. Tudo o que podemos fazer é medir o Universo no nível em que somos capazes de medi-lo e tirar conclusões responsáveis: conclusões que não excedem o alcance de nossos limites experimentais e observacionais. Podemos restringir a massa do gráviton e descobrir as consequências do que ocorreria se ele tivesse massa, mas até descobrirmos a verdadeira natureza da matéria escura, temos que manter nossas mentes abertas a todas as possibilidades que ainda não sido excluído. Embora eu não aposte nisso, ainda não podemos eliminar a possibilidade de que os grávitons que nasceram frios sejam eles mesmos os responsáveis ​​pela matéria escura e componham os 27% perdidos do Universo que há muito procuramos. Até sabermos qual é a verdadeira natureza da matéria escura, precisamos explorar todas as possibilidades, por mais implausíveis que sejam.

Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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