O universo esconde os seus segredos de formas inesperadas. Por vezes, aquilo que os cientistas não conseguem observar pesa mais do que aquilo que conseguem medir.
Um novo estudo avança uma hipótese arrojada: a matéria escura poderá não ser composta por um único tipo de partícula. Em vez disso, poderá resultar da combinação de dois tipos que actuam em conjunto.
Esta proposta pode ajudar a compreender por que motivo um sinal enigmático surge na Via Láctea, mas não aparece em galáxias mais pequenas.
A investigação está a alterar a forma como os cientistas encaram o comportamento da matéria escura em diferentes ambientes do universo.
O mistério da matéria escura
A matéria escura representa uma grande fracção do universo, mas nunca foi observada directamente. A sua existência é inferida através dos efeitos gravitacionais.
As galáxias movem-se de maneiras que a matéria visível não consegue justificar, o que indica que existe algo invisível a acrescentar massa.
Muitas teorias defendem que a matéria escura é feita de partículas minúsculas. Quando essas partículas colidem, podem aniquilar-se mutuamente e libertar energia sob a forma de raios gama. Instrumentos como o Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi procuram esses sinais.
Os cientistas esperavam encontrar sinais semelhantes em muitas galáxias. Contudo, as observações apontam noutra direcção.
O brilho estranho da Via Láctea
Os astrónomos identificaram um sinal intenso de raios gama perto do centro da Via Láctea. Esse sinal apresenta-se como um brilho circular e muito marcado. Alguns investigadores consideram que a matéria escura pode estar na origem do fenómeno.
“Right now there seems to be an excess of photons coming from an approximately spherical region surrounding the disk of the Milky Way,” explicou Gordan Krnjaic, do Laboratório Nacional de Aceleradores Fermi.
O sinal é compatível com aquilo que se prevê para partículas de matéria escura com uma massa específica. Ainda assim, existe uma alternativa plausível: um grande conjunto de objectos conhecidos como pulsares também poderia gerar uma radiação semelhante.
O enigma torna-se ainda mais complexo quando os cientistas analisam o que acontece para lá da nossa galáxia.
Por que razão as galáxias anãs confundem os cientistas
As galáxias anãs são pequenas e pouco luminosas, mas contêm grandes quantidades de matéria escura. Se a matéria escura se comportasse da mesma forma em todo o lado, estas galáxias deveriam exibir sinais de raios gama semelhantes.
“If certain theories of dark matter are true, we should see it in every galaxy, for example in every dwarf galaxy,” disse Krnjaic.
No entanto, os cientistas não observam esse sinal em galáxias anãs. Esta ausência cria um problema sério: em modelos simples, as interacções da matéria escura deveriam produzir sinais tanto em galáxias grandes como em galáxias pequenas.
Esta discrepância sugere que a matéria escura poderá ser menos simples do que se pensava.
Limites das ideias mais antigas
Os modelos tradicionais partem do pressuposto de que a matéria escura é composta por um único tipo de partícula. Essas partículas interagem de forma previsível. Em alguns cenários, a taxa de interacção mantém-se constante; noutros, depende da velocidade a que as partículas se movem.
Nenhuma das abordagens explica por completo o que se observa. A Via Láctea apresenta um sinal forte, enquanto as galáxias anãs não mostram qualquer vestígio.
Os cientistas previam que as galáxias anãs produziriam sinais muito mais fracos do que os da Via Láctea, mas que ainda assim poderiam ser detectáveis com instrumentos mais sensíveis.
Como essas emissões não são detectadas, parece haver algo em falta nas teorias actuais.
Duas formas de matéria escura
Os investigadores propõem que a matéria escura possa ser constituída por dois tipos de partículas, e não por apenas um. Para produzir raios gama, esses dois tipos teriam de se encontrar.
“What we’re trying to point out in this paper is that you could have a different kind of environmental dependence, even if the annihilation probability is constant in the center of the galaxy,” explica Krnjaic.
“Dark matter could straightforwardly be two different particles, and the two different particles need to find each other in order to annihilate.”
O estudo descreve que estas partículas existem em dois estados: um mais leve e outro um pouco mais pesado, num estado excitado. O estado mais pesado só se forma em determinadas condições.
Como a energia muda tudo
A diferença central entre galáxias está na energia. Em galáxias grandes como a Via Láctea, as partículas de matéria escura deslocam-se a velocidades mais elevadas. Já nas galáxias anãs, essas partículas movem-se muito mais devagar.
Segundo o estudo, as partículas precisam de energia suficiente para transitar para o estado mais pesado antes de poderem interagir. Na Via Láctea, existe energia para essa transformação. Nas galáxias anãs, não.
Este mecanismo ajuda a perceber por que motivo o sinal aparece num local e está ausente noutro.
“In this way, you get very different predictions for the emission,” afirmou Krnjaic. Esta ideia simples resolve um problema antigo sem afastar a matéria escura como possível origem do sinal.
Uma população de matéria escura em mudança
O estudo também descreve como a matéria escura pode evoluir ao longo do tempo. No universo primordial, existiam ambos os tipos de partículas. Mais tarde, as partículas mais pesadas tornaram-se raras, porque se converteram nas mais leves.
Em galáxias grandes, as colisões podem voltar a criar as partículas mais pesadas. Esse processo faz com que os sinais possam reaparecer. Em galáxias anãs, essa recriação não ocorre, porque as partículas não têm energia suficiente.
Isto implica que cada galáxia pode apresentar uma mistura diferente de partículas de matéria escura.
O que futuras observações poderão revelar
Os cientistas irão testar esta hipótese com dados mais robustos. O Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi continua a observar galáxias, e futuras missões e telescópios poderão fornecer respostas mais claras.
Se, mais tarde, forem detectados raios gama em galáxias anãs, isso poderá indicar que ambos os tipos de partículas também existem nesses sistemas. Se a ausência de sinais se mantiver, poderá confirmar que a matéria escura se comporta de forma diferente consoante o ambiente.
O novo modelo sugere que as pistas da matéria escura podem estar distribuídas de forma desigual pelo espaço. Ao estudar tanto o que é observado como o que falta, os cientistas aproximam-se de resolver um dos maiores mistérios da ciência.
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