• Começa com um estrondo

Verdadeiro ou falso: as lentes gravitacionais revelam a natureza da matéria escura?

A melhor evidência para a matéria escura é astrofísica e indireta. As novas observações de lentes apontam para matéria escura ultraleve e ondulada?

Principais conclusões

• Quando examinamos o Universo em detalhes, muitas linhas de evidência apontam para a existência de matéria escura fria: em galáxias, aglomerados de galáxias e em escalas cósmicas ainda maiores.
• Parte da evidência da matéria escura inclui observações de lentes gravitacionais: onde uma fonte de massa em primeiro plano curva a luz que viaja de objetos de fundo mais distantes.
• Um artigo ousado e recente afirma ter detectado evidências apontando para a natureza da matéria escura: longe dos WIMPs e em direção às partículas ultraleves. Mas essa afirmação é correta?

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Quando se trata da questão de “Do que o Universo é feito?” a ciência moderna revelou as respostas como nunca antes. O material que compõe os planetas, estrelas, gás e poeira em nosso Universo é todo matéria normal: material feito de prótons, nêutrons e elétrons. Prótons e nêutrons são ainda compostos de quarks e glúons, e os elétrons são uma das seis espécies de léptons no Universo. Juntamente com as partículas portadoras de força, os bósons, essas partículas elementares representam um total de cerca de 5% da energia total do Universo.

Mas os outros 95%, embora saibamos como categorizá-los – 27% de matéria escura e 68% de energia escura – permanecem indescritíveis no que diz respeito à sua verdadeira natureza. Embora a astrofísica tenha revelado muitas de suas propriedades, com a energia escura se comportando como uma espécie de energia uniformemente inerente ao próprio espaço e a matéria escura se comportando como se fosse feita de partículas massivas de movimento lento, frio e livre de colisões, ainda temos que descobrir diretamente sua verdadeira natureza.

Em um novo estudo selvagem, uma equipe afirma ter encontrado uma nova evidência astrofísica que não apenas apóia a matéria escura fria, mas favorece um tipo de matéria escura ultraleve e ondulada, enquanto desfavorece a matéria mais massiva e pesada. tipos de matéria escura WIMP. É uma afirmação ousada, com certeza, mas muitos estão longe de se convencer. Aqui está o porquê.

Esta animação de quatro painéis mostra as galáxias individuais presentes em Abell 2744, Pandora's Cluster, juntamente com os dados de raios-X do Chandra e o mapa de lentes construído a partir de dados de lentes gravitacionais. A incompatibilidade entre os raios-X e o mapa de lentes, conforme mostrado em uma ampla variedade de aglomerados de galáxias emissores de raios-X, é um dos indicadores mais fortes que favorecem a presença de matéria escura. Lensing, importante, é outra previsão explícita, mas imaginativa, da Relatividade Geral que foi reconhecida como “deve existir” muito antes de ser observada.

O modelo mais simples que você pode fazer da matéria escura é que ela é composta de apenas uma espécie de partícula: com todas as partículas de matéria escura tendo a mesma massa umas das outras. Essas partículas não se ligariam umas às outras para formar estruturas compostas, nem colidiriam ou trocariam momento umas com as outras, nem colidiriam ou trocariam momento com qualquer uma das partículas de matéria normal. Tudo o que eles fariam seria gravitar e se mover de acordo com a curvatura do espaço-tempo que afetasse seus movimentos.

Com o tempo, eles conduziriam a formação da estrutura no Universo, formando halos esferoidais de matéria escura, enquanto a matéria normal – que colide, se une e forma estruturas compostas unidas – afunda nos centros desses halos, onde se formam. as familiares estruturas estelares e galácticas, incluindo galáxias espirais e elípticas.

Mas a matéria escura permanece difusa, em uma distribuição aproximadamente esferoidal estendendo-se cerca de 10+ vezes mais longe do que a extensão da matéria normal. Considerando que uma galáxia semelhante à Via Láctea pode ter um pouco mais de 100.000 anos-luz, de ponta a ponta, no que diz respeito à sua matéria normal, o halo de matéria escura que nos envolve se estende por mais de um milhão de anos-luz em todas as direções.

O halo de matéria escura em torno de nossa galáxia deve exibir probabilidades de interação ligeiramente diferentes à medida que a Terra orbita o Sol, variando nosso movimento através da matéria escura em nossa galáxia. A extensão estelar de cada galáxia que observamos está embutida em um halo de matéria escura muito maior, que pode se estender por milhões de anos-luz para uma típica galáxia semelhante à Via Láctea.

Em escalas cósmicas ainda maiores, enormes halos de matéria escura deveriam cercar grupos e aglomerados de galáxias. Embora cada galáxia individual deva possuir seu próprio halo maciço de matéria escura, também deve haver uma distribuição em larga escala de matéria escura que seja completamente independente de qualquer aglomerado individual de menor escala. Esses halos de matéria escura, se você os examinasse muito grosseiramente, apareceriam lisos e esferoidais: mais densos no centro e diminuindo em densidade em direção à periferia.

Mas dentro dessa estrutura lisa apareceria uma subestrutura muito mais complexa. Cada galáxia individual dentro de um aglomerado de galáxias tem seu próprio halo de matéria escura. Além disso, embutidos dentro de cada halo galáctico, bem como dentro do halo geral do aglomerado, estão aglomerados ainda menores de matéria escura: a subestrutura da matéria escura. Milhares ou mesmo milhões desses mini-haloes menores podem existir em todas essas estruturas maiores, e sua presença pode ser (e tem sido) revelada pela reconstrução da distribuição de massa desses aglomerados por meio de lentes gravitacionais.

A distorção da luz proveniente de galáxias de “fundo” – galáxias mais distantes do que os aglomerados de galáxias com lentes, mas ao longo da mesma linha de visão – permite que os astrofísicos reconstruam o perfil de massa e a distribuição de massa da matéria geral dentro do próprio aglomerado .

Um aglomerado de galáxias pode ter sua massa reconstruída a partir dos dados de lentes gravitacionais disponíveis. A maior parte da massa não é encontrada dentro das galáxias individuais, mostradas como picos aqui, mas no meio intergaláctico dentro do aglomerado, onde parece residir a matéria escura. Simulações e observações mais granulares também podem revelar a subestrutura da matéria escura, com os dados concordando fortemente com as previsões da matéria escura fria.

Existem dois tipos de lente gravitacional com os quais precisamos nos preocupar ao empreender esse ambicioso empreendimento.

Lente gravitacional forte : este é o efeito que produz anéis, arcos e várias imagens do mesmo objeto de fundo. Quando a forma da lente (primeiro plano) está perfeitamente ou quase perfeitamente alinhada com um objeto de fundo, a luz desse objeto de fundo será esticada, dobrada, distorcida e ampliada pelas massas do primeiro plano. Isso cria as imagens visualmente espetaculares e de maior ampliação de objetos de fundo de todos, mas só ocorre quando um alinhamento comparativamente raro está presente.

Lentes gravitacionais fracas : esse efeito é muito mais sutil, mas também muito mais comum. A presença de massas em primeiro plano distorce as formas, posições e orientações aparentes das galáxias de fundo para serem esticadas ao longo da “circunferência” dos círculos que cercam as massas, mas comprimidas ao longo da direção “radial” desses círculos. A lente gravitacional fraca requer um grande número de objetos para quantificar e é um efeito estatístico, mas muito poderoso para revelar a matéria escura.

Até o momento, ambos os efeitos foram estudados em uma ampla variedade de sistemas e, de fato, revelaram a suspeita de “subestrutura de matéria escura” dentro de halos de galáxias e aglomerados de galáxias.

Esta imagem do Hubble do maciço aglomerado de galáxias MACSJ 1206 mostra os arcos e as características espalhadas causadas pela curvatura gravitacional da luz do aglomerado de galáxias em primeiro plano. Concentrações de pequena escala de matéria escura, representadas em azul, foram reconstruídas com base nos dados das lentes. A combinação dessa informação de lente com a informação de luz intraaglomerado, que é outro marcador independente de matéria escura, pode revelar sua presença e distribuição como nunca antes. Descobrimos, por meio de análises como esta, que todos os halos de matéria escura consistem em um rico conjunto de subestruturas de matéria escura.

Mas tudo isso cai sob o guarda-chuva de uma suposição muito específica: que a matéria escura se comporta como uma partícula. Isso é verdadeiro e razoável para todas as partículas conhecidas no Universo, mas pode não ser verdade para a matéria escura.

Você deve se lembrar deste conceito da mecânica quântica: dualidade onda/partícula. Ele afirma que sempre que você tem uma interação suficientemente energética de dois quanta um com o outro, eles se comportam como partículas, espalhando-se um do outro com posições e momentos bem definidos, até os limites da incerteza quântica inerente que eles possuem. Mas quando os quanta individuais não interagem, eles se comportam como ondas: se espalhando pelo espaço.

Todas as partículas e sistemas de partículas têm um “comprimento de onda” que pode ser atribuído. Para partículas sem massa, como fótons, esse comprimento de onda é determinado por sua energia. Mas para partículas massivas, esse comprimento de onda é determinado pelo momento da partícula, que está relacionado à massa de repouso da partícula. Quanto mais massiva for a partícula, menor será sua comprimento de onda de Broglie , mas para partículas de massa muito baixa - partículas menos massivas do que qualquer uma das conhecidas no Modelo Padrão - seus comprimentos de onda podem ser realmente muito grandes.

A ideia de uma onda de Broglie é que toda partícula de matéria também pode exibir comportamento ondulatório, com as propriedades da onda dadas por quantidades como momento e energia do sistema. Tudo, dos elétrons aos seres humanos, se comporta como uma onda nas condições adequadas. Quanto menor o momento (ou seja, a combinação de velocidade e massa) uma partícula é, maior é o seu comprimento de onda de Broglie.

Para uma partícula que se move pelo espaço a uma velocidade de cerca de 1 km/s, seu comprimento de onda de Broglie é altamente dependente de sua massa. Para algo com a massa de um próton, seu comprimento de onda seria algo como 10 ^-10 metros: aproximadamente o tamanho de um átomo. Para algo em torno da massa de um elétron, seu comprimento de onda é de cerca de 1 mícron: o tamanho de uma bactéria típica. Para algo muito menor em massa, como a massa de um neutrino, seu comprimento de onda pode ser superior a 100 metros ou até vários quilômetros.

Mas para a matéria escura, a massa é totalmente irrestrita. Pode estar em qualquer lugar dentro do alcance das partículas conhecidas ou muito fora dele.

• WIMPzillas, por exemplo, são uma classe de partículas de matéria escura ultrapesadas e com massas até um quatrilhão de vezes mais pesadas que um próton, podem ter um comprimento de onda de Broglie menor do que o LHC pode sondar.
• Os WIMPs, em teoria, têm comprimentos de onda 100-1000 vezes menores que os de um próton, e você não perde nada tratando-os puramente como partículas em escalas cósmicas.
• Mas no extremo ultraleve, pode ser possível ter um número enorme de partículas de matéria escura de massa extremamente baixa: com massas tão pequenas quanto 10 ^-30 vezes a do neutrino já leve.

Com massas pequenas o suficiente, as partículas de matéria escura podem até exibir um comportamento semelhante a uma onda em escalas galácticas ou mesmo de aglomerados de galáxias.

De acordo com modelos e simulações, todas as galáxias deveriam estar inseridas em halos de matéria escura, cujas densidades atingem o pico nos centros galácticos. Em escalas de tempo suficientemente longas, talvez de um bilhão de anos, uma única partícula de matéria escura da periferia do halo completará uma órbita. Dentro de cada halo de matéria escura, existirá uma série de subestruturas, com o número, tamanho e distribuição das várias subestruturas dependentes do tipo e temperatura da matéria escura existente. Esses efeitos devem ser incluídos para obter um modelo realista da distribuição de massa de um halo de matéria escura.

Meu grande receio sobre esse cenário, como físico teórico, seria o seguinte.

1. Os cientistas propõem a possibilidade de matéria escura ultraleve, semelhante a ondas.
2. Eles fazem a modelagem 3D para determinar sob quais condições um sinal de lente gravitacional revelaria propriedades semelhantes a ondas.
3. Outros teóricos entram na onda e preparam partículas candidatas que teriam as massas relevantes.
4. E então alguém do lado observacional encontra algo de baixa qualidade – como uma forte observação de lente mal resolvida de um objeto – que se parece com um desses modelos e diz: “Ei, olhe! Nós revelamos a natureza da matéria escura e mostramos que ela é semelhante a uma onda, apoiando um cenário exótico em particular e desfavorecendo outros cenários de matéria escura não ondulatória”.

Passos 1 e 2 aconteceu em 2014 ; a etapa 3 aconteceu gradualmente ao longo dos próximos anos, com uma revisão espetacular do estado da matéria escura das ondas publicado em 2021; e então o passo 4 aconteceu , previsivelmente e bastante infelizmente, em 20 de abril de 2023 . Uma equipe de cientistas - incluindo os teóricos originais que primeiro propuseram a matéria escura semelhante a uma onda, bem como uma equipe de observadores - olhou para um forte sistema de lentes , HS 0810+2554, e concluiu que a matéria escura é semelhante a uma onda e não um daqueles tipos não ondulados mais pesados.

Isso mostra a imagem descoberta do Telescópio Espacial Hubble do sistema QSO com lentes múltiplas: HS 0810+2554. As múltiplas imagens do fundo, a fonte com lente pode ajudar a revelar a geometria da lente gravitacional da massa do primeiro plano.

Parte disso é verdade: se a matéria escura realmente é feita de partículas de massa extremamente baixa, os sinais de lentes gravitacionais que vemos devem revelar esses comportamentos semelhantes a ondas. Isso é algo que deveríamos ser capazes de testar observacionalmente, mas há um problema: modelar o comportamento em pequena escala e a distribuição da matéria escura é um desafio incrível.

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Normalmente, existem muitos modelos de lentes diferentes que são compatíveis com os dados de qualquer observação em particular, e apenas nos sistemas mais perfeitamente alinhados que exibem recursos de lente muito claros e particularmente fortes é que essa análise pode ser confiável. É por isso que, para tirar uma conclusão responsável e robusta, você precisa demonstrar que o efeito que você está procurando não é uma característica de apenas um sistema com observações de baixa qualidade, mas mostrar que essa característica é universal para os tipos de sistemas que você está examinando.

Além disso, as análises de lente são sensíveis apenas à quantidade total de massa presente ao longo de uma linha de visão; eles não podem dizer qual porção da massa é matéria normal e qual porção é matéria escura. O que você deve ter muito, muito cuidado em qualquer tipo de análise de lentes é o seguinte: se você estiver usando um modelo bruto de distribuição de matéria escura, um que não considere totalmente a interação de:

• matéria escura,
• com matéria normal e radiação,
• incluindo feedback estelar, aquecimento, evaporação de gás, efeitos eletromagnéticos, resfriamento molecular e aquecimento dinâmico de matéria escura,

você vai tirar uma conclusão científica doentia sobre o que descobriu.

Este gráfico compara os contornos de ampliação de um modelo grosseiramente simplificado de partícula de matéria escura, obedecendo a um perfil NFW, (esquerda) em comparação com duas instâncias diferentes de contornos de ampliação de matéria escura em forma de onda (centro e direita). Serão necessárias algumas observações muito boas de um grande número de sistemas para realmente discernir entre esses modelos, e isso não é suficiente para modelar suficientemente a matéria escura e a distribuição da matéria normal.

O que eu realmente não gosto sobre este último estudo é que eles não apenas usaram apenas uma fonte de lente forte para fazer sua análise, mas também usaram o modelo mais grosseiro e simplificado possível de matéria escura não ondulatória: o arcaico (de meados da década de 1990) Perfil Navarro-Frenk-White (NFW) . Não inclui nenhuma interação de matéria escura/matéria normal, nenhum feedback, nenhuma dinâmica de gás, nenhum aquecimento ou resfriamento etc.

• um modelo simplificado de matéria escura,
• sem subestrutura ou sub-halos incluídos,
• uma imagem difusa de uma única fonte de lente gravitacional forte,
• e comparando a imagem difusa com o modelo simplificado versus um modelo de matéria escura semelhante a onda,
• e concluindo que o modelo em forma de onda se ajusta melhor que o modelo supersimplificado,
• e, portanto, a matéria escura é ultraleve e ondulada.

Não vou tão longe a ponto de dizer que os autores estão chorando, mas eles estão exagerando grosseiramente em seu caso. quando eles afirmarem , “A capacidade de ψDM [isto é, matéria escura semelhante a onda] de resolver anomalias de lente mesmo em casos exigentes, como HS 0810+2554, junto com seu sucesso na reprodução de outras observações astrofísicas, inclina a balança para a nova física invocando axions.” Não, eles absolutamente não.

Toda a base do estudo das lentes gravitacionais que afirma favorecer a matéria escura semelhante a ondas está encapsulada neste diagrama. Os autores simplesmente modelam a matéria normal e escura conforme mostrado, mostram as previsões de lentes padrão com cruzes e as observações reais com círculos. Onde as cruzes e os círculos não se sobrepõem, eles afirmam que isso desfavorece a matéria escura semelhante a partículas. Com 75 realizações de possíveis soluções de matéria escura semelhantes a ondas mostradas (pontos codificados por cores), eles afirmam que esses pontos se ajustam muito melhor aos dados. Isso é convincente?

O que é mais preciso é afirmar que não sabemos qual é a verdadeira natureza da matéria escura e que as lentes gravitacionais oferecem uma maneira potencial de discernir entre alguns candidatos de massa muito baixa que podem exibir comportamento de onda e alguns candidatos mais pesados ​​e massivos. que não deveria exibir comportamento de onda em escalas cosmicamente interessantes. O único sistema de lentes estudado neste novo artigo, HS 0810+2554, é, na melhor das hipóteses, ligeiramente sugestivo que devemos levar mais a sério esse cenário de matéria escura em forma de onda, mas a verdade é que o ônus da prova para determinar a natureza da matéria escura é enorme.

Chegar lá exigirá uma análise robusta de milhares de sistemas com lentes gravitacionais, mostrando a insuficiência da matéria escura não ondulatória e o sucesso da matéria escura ondulatória em explicá-los. Isso exigirá a contabilização bem-sucedida de todas essas difíceis interações normais de matéria/radiação/matéria escura e a construção de um conjunto robusto de mapas de matéria escura para esses objetos, demonstrando ainda mais sua natureza ondulatória. E deve evitar patologias comumente associadas a modelos de matéria escura ultraleve, como fechar demais o Universo ou criar muita violação de CP para ser consistente com as observações da física de partículas.

Embora seja fácil ser apoiar acriticamente um novo resultado com uma afirmação ousada assim, na verdade, a ciência procede com cautela e ceticismo, exigindo um conjunto extraordinário de evidências antes de tirar conclusões. Este novo estudo, na melhor das hipóteses, fornece uma dica, mas pode ser apenas um caso de apertar os olhos para uma bolha difusa e ver o que os autores querem ver. Para realmente provar seu ponto, eles têm muito trabalho pesado pela frente.

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