Vencedores e perdedores da matéria escura no rescaldo do LIGO
Ilustração de dois buracos negros se fundindo, de massa comparável à que o LIGO viu. Crédito da imagem: XS, o projeto Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) (http://www.black-holes.org) .
Chegamos tão longe desde 2015; o que sabemos sobre a matéria escura agora que não sabíamos na época?
Em 2015, a situação da matéria escura era bastante simples: a estrutura em grande escala do Universo exigia que houvesse uma grande quantidade de matéria escura fria, e as alternativas estavam lutando para reproduzir esses sucessos. A Relatividade Geral de Einstein ainda precisava funcionar em todas as escalas, desde testes locais baseados no Sistema Solar até os cósmicos, mas não houve testes diretos de algumas de suas maiores previsões de campo forte. Tudo isso mudou há dois anos, com a primeira detecção anunciada de ondas gravitacionais, cortesia de dois buracos negros em fusão.
Durante a Run I e Run II, o LIGO, mais tarde acompanhado pelo detector Virgo, detectou cinco pares de fusão buraco negro-buraco negro, juntamente com um par de estrelas de nêutrons em fusão. Crédito da imagem: colaboração científica LIGO.
Agora, à medida que nos aproximamos do final de 2017, usamos a astronomia de ondas gravitacionais para detectar cinco buracos negros em fusão e um par de estrelas de nêutrons em fusão, um resultado notável por si só. No entanto, essas detecções nos fornecem uma riqueza de dados sobre a matéria escura e suas alternativas, repletas de vencedores e perdedores. No contexto do conjunto completo de evidências, aqui está o que sabemos.
O tecido do espaço-tempo, ilustrado, com ondulações e deformações devido à massa. Uma nova teoria deve ser mais do que idêntica à Relatividade Geral; deve fazer previsões novas e distintas. Devido às observações do LIGO, sabemos que as previsões da Relatividade Geral são indistinguíveis das corretas. Crédito da imagem: Lionel Bret/Euriolos.
Vencedora: A Relatividade Geral de Einstein. Apresentada pela primeira vez em 1915, a teoria de Einstein fez previsões explícitas para a relação entre espaço-tempo e matéria/energia, incluindo uma nova previsão sobre a propagação de ondulações gravitacionais através do próprio tecido do espaço. Qualquer massa que se mova através de uma região do espaço-tempo cuja curvatura esteja mudando deve emitir radiação gravitacional de uma amplitude e frequência específicas, e essa radiação deve se propagar na velocidade da luz, distorcendo o espaço à medida que passa. Por 100 anos, essa previsão não foi testada, até que os detectores gêmeos LIGO começaram a ver seus primeiros eventos genuínos.
No início deste ano, eles observaram uma fusão de estrelas de nêutrons, também vista em todo o espectro eletromagnético (de luz). Agora sabemos que o tempo de chegada das ondas gravitacionais e da luz de um evento singular difere em não mais do que 1 parte em 1015, confirmando as previsões da relatividade de que a velocidade da gravidade é igual à velocidade da luz com uma precisão nunca antes vista.
O remanescente da supernova 1987a, localizada na Grande Nuvem de Magalhães, a cerca de 165.000 anos-luz de distância. O fato de os neutrinos terem chegado horas antes do primeiro sinal de luz nos ensinou mais sobre a duração que a luz leva para se propagar pelas camadas de uma supernova da estrela do que sobre a velocidade com que os neutrinos viajam, que era indistinguível da velocidade da luz. Neutrinos, luz e gravidade parecem todos viajar na mesma velocidade agora. Crédito da imagem: Noel Carboni e ESA/ESO/NASA Photoshop FITS Liberator.
Fracassado: Teorias da gravidade modificadas onde a gravidade e a luz obedecem a regras diferentes . Existem muitas ideias por aí de que a razão de haver tantos casos em que a gravidade e a luz não combinam é porque a Relatividade Geral de Einstein não está certa e que as leis da gravidade precisam ser modificadas. Essas teorias da gravidade modificada tentam acabar com a matéria escura, substituindo-as por uma nova lei da gravitação. No entanto, muitas das alternativas propostas, para resolver os problemas que a matéria escura resolve, levam a uma situação em que as ondas gravitacionais e as ondas de luz se propagam pelo espaço de maneira diferente. Essas teorias que o fazem agora estão descartadas, e isso inclui algumas das teorias alternativas mais promissoras da gravidade, como o TeVeS de Bekenstein.
Todas as partículas sem massa viajam na velocidade da luz, incluindo o fóton, glúon e ondas gravitacionais, que carregam as interações eletromagnética, nuclear forte e gravitacional, respectivamente. O tempo de chegada quase idêntico de ondas gravitacionais e ondas eletromagnéticas de GW170817 são incrivelmente importantes, especialmente considerando que eles foram atrasados ao viajar pelos mesmos poços de potencial gravitacional criados pela matéria escura. Crédito da imagem: NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet.
Fracassado : Velocidade variável da cosmologia da luz. Se as restrições são que as ondas gravitacionais e a velocidade da luz devem ser iguais a uma parte em 1.000.000.000.000.000, então a velocidade da luz não poderia ter variado mais do que essa quantidade ao longo de pelo menos centenas de milhões de anos. Se você quiser alterar a velocidade da luz, terá que alterar também a velocidade da gravidade, e há restrições rígidas nas combinações de G , c , e h (constante de Planck), a última das quais não pode variar devido à consistência dos espectros atômicos. Alguns exemplos desses modelos tentam acabar com a matéria escura ou a energia escura; devido ao LIGO, sabe-se agora que a maioria desses modelos não funcionará. De muitas maneiras, a ideia de que a velocidade da luz varia ao longo dos tempos cósmicos sofreu um tremendo impacto nas observações do LIGO.
Nesta imagem do Telescópio Espacial Hubble, as muitas galáxias vermelhas são membros do maciço aglomerado MACS J1149.6+2223, que cria imagens distorcidas e altamente ampliadas das galáxias atrás dele. Um grande aglomerado de galáxias (centro da caixa) dividiu a luz de uma supernova explosiva em uma galáxia de fundo ampliada em quatro imagens amarelas (setas), cujo tempo de chegada foi atrasado em relação um ao outro devido à curvatura do espaço-tempo pela massa. Crédito da imagem: Telescópio Espacial Hubble / ESA e NASA.
Vencedora: Matéria escura fria. Particularmente a partir das fusões de estrelas de nêutrons a 130 milhões de anos-luz de distância, deve haver um atraso no tempo de chegada do sinal da onda gravitacional devido à matéria interveniente na ordem de algumas centenas de anos. O fato de que a chegada de ambas as ondas de luz e ondas gravitacionais foram atrasadas na mesma quantidade fornece mais evidências para a matéria escura, especialmente considerando que uma supernova de lente quádrupla já havia sido observada em ondas de luz, demonstrando que a matéria escura atrasa o tempo de chegada de sinais de luz. Se não houvesse matéria escura, esse comportamento seria muito diferente; nossos observatórios de ondas gravitacionais forneceram mais evidências independentes de que a matéria escura é real.
Embora as restrições sobre os buracos negros na faixa de massa sensível ao LIGO parecessem sugestivas, uma análise de supernovas com base nos resultados do LIGO mostrou que não mais que cerca de um terço da matéria escura poderia estar na forma de buracos negros primordiais nessa faixa. Crédito da imagem: Miguel Zumalacarregui e Uros Seljak (2017), via https://arxiv.org/abs/1712.02240 .
Fracassado: Buracos negros primordiais como matéria escura. Uma ideia marginal sempre foi que talvez a matéria escura não seja baseada em partículas, mas sim feita de buracos negros que se formaram logo após o Big Bang. Embora não tenha havido nenhum mecanismo demonstrado que possa produzir grandes quantidades de buracos negros de um valor de massa específico, deixando o resto de nossa estrutura cósmica em grande escala inalterada, é dever das observações descartar uma ideia. Anteriormente, uma série de restrições havia sido imposta a partir de uma variedade de fontes cósmicas, mas as descobertas de buracos negros binários na faixa de 10 a 100 massas solares reviveram a ideia de que os buracos negros poderiam ser matéria escura.
Em um novo papel na semana passada , no entanto, Miguel Zumalacarregui e Uros Seljak mostraram que os efeitos de buracos negros, supernovas e propagação de luz funcionam para descartar que a maioria da matéria escura esteja em buracos negros primordiais dessa faixa de massa específica. Não há como os buracos negros primordiais na faixa de massa aos quais o LIGO é sensível possam ser a maioria da matéria escura.
Restrições na matéria escura WIMP são bastante severas, experimentalmente. A curva mais baixa exclui seções transversais de WIMP (partícula massiva de interação fraca) e massas de matéria escura para qualquer coisa localizada acima dela. Crédito da imagem: Colaboração Xenon-100 (2012), via http://arxiv.org/abs/1207.5988 .
Fracassado: WIMPs em geral e supersimetria em particular . Por mais convincente que seja a explicação da matéria escura fria, o candidato mais comum que estamos procurando é um WIMP: uma partícula massiva de interação fraca. Extensas pesquisas de detecção direta estão em andamento, tanto no LHC (onde procuramos a falta de massa/energia em uma colisão) quanto em detectores de recuo isolados. Os limites dessas partículas são agora tão extremos que os WIMPs supersimétricos, originalmente projetados para resolver outros problemas (como o problema da hierarquia na física) não podem mais resolvê-los na faixa de massa permitida. Quando os resultados do LIGO são obtidos em combinação com os resultados do LHC e outros experimentos, parece sombrio para os WIMPs.
A diferença de massa entre um elétron, a partícula normal mais leve do Modelo Padrão, e o neutrino mais pesado possível é mais do que um fator de 4.000.000, uma lacuna ainda maior do que a diferença entre o elétron e o quark top. Crédito da imagem: Hitoshi Murayama.
Vencedora: Neutrinos maciços . A primeira (e única) evidência de um fenômeno de física de partículas que o Modelo Padrão não explica são as oscilações de neutrinos, o que implica que os neutrinos têm uma massa muito leve, mas diferente de zero. Por que é isso? A explicação mais popular é que os neutrinos vêm em duas variedades distintas, canhotos e destros, equilibrados em uma gangorra, e que o tipo destro tem uma queda de massa muito pesada de lado. Isso significa que os neutrinos canhotos hoje serão muito leves, enquanto os destros são um excelente candidato à matéria escura. Se isso for verdade, deve haver um tipo especial de decaimento observado: o decaimento beta duplo sem neutrinos.
Quando um núcleo sofre um duplo decaimento de nêutrons, dois elétrons e dois neutrinos são emitidos convencionalmente. Se os neutrinos obedecerem a esse mecanismo de gangorra e forem partículas de Majorana, o decaimento beta duplo sem neutrinos deve ser possível. Os experimentos estão procurando ativamente por isso. Crédito da imagem: Ludwig Niedermeier, Universitat Tübingen/GERDA.
Existem experimentos procurando exatamente isso, mas ainda mais convincente, esse é um fenômeno que exige uma explicação, mesmo que não seja a resposta completa para o problema da matéria escura. Os resultados do LIGO são consistentes com esse tipo de matéria escura, embora - para ser justo - o próprio LIGO não seja muito bom em restringir a matéria escura baseada em WIMP ou baseada em neutrinos. Para entender do que o Universo é feito, você precisa olhar para o conjunto completo de evidências, indo muito além do que um único tipo de experimento/observação pode lhe dizer.
Esta projeção tridimensional da Via Láctea em um globo transparente mostra as prováveis localizações dos três eventos de fusão de buracos negros confirmados observados pelos dois detectores LIGO — GW150914 (verde escuro), GW151226 (azul), GW170104 (magenta) — e uma quarta detecção confirmada (GW170814, verde claro, canto inferior esquerdo) que foi observada pelos detectores Virgo e LIGO. Também é mostrado (em laranja) o evento de menor significância, LVT151012. Três detectores nos permitirão detectar e identificar a posição de eventos de ondas gravitacionais com uma precisão muito maior do que apenas dois. Crédito da imagem: LIGO/Virgo/Caltech/MIT/Leo Singer (imagem da Via Láctea: Axel Mellinger).
Ainda é muito cedo para dizer exatamente o que é a matéria escura (e o que não é), mas é muito fácil ver o que parece melhor e o que requer um pedido ainda mais especial após os últimos dois anos. A Relatividade Geral passou em outro teste muito rigoroso com cores voadoras: as ondas gravitacionais são reais, carregam energia, têm as propriedades (amplitude, frequência, desvio para o vermelho, polarização etc.) . As teorias de gravidade modificadas onde fótons e ondas gravitacionais seguem regras diferentes são altamente restritas, e buracos negros primordiais e WIMPs, particularmente WIMPs supersimétricos, parecem cada vez menos prováveis.
Projeção em grande escala através do volume Illustris em z=0, centrado no aglomerado mais massivo, 15 Mpc/h de profundidade. Mostra a densidade da matéria escura (esquerda) em transição para a densidade do gás (direita). A estrutura em grande escala do Universo não pode ser explicada sem matéria escura, embora existam muitas tentativas de gravidade modificada. Crédito da imagem: Colaboração Illustris / Simulação Illustris.
Por outro lado, a matéria escura fria ainda é muito necessária em uma variedade de escalas, e as observações do LIGO não fizeram nada para criar qualquer tipo de buraco nessa ideia. Quando você incorpora o conjunto completo de evidências, é plausível que os neutrinos massivos - já a única física de partículas conhecida além do Modelo Padrão - possam ser a chave para resolver não apenas o problema da matéria escura, mas a assimetria matéria-antimatéria e podem estar ligados a energia escura também. É um momento transformador para a física fundamental, e as observações diretas do Universo nas maiores escalas cósmicas têm muito a nos ensinar sobre as regras e partículas fundamentais que governam o Universo nas menores escalas de todas. Graças às nossas primeiras observações de ondas gravitacionais, podemos estar mais perto de entender nosso universo escuro do que nunca.
Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . 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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