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A matéria escura sob efeito de força não detectável no restante do Universo

Astrônomos sugerem que a matéria escura interage com ela mesma

ESO
Esta imagem produzida pelo Telescópio Espacial Hubble de quatro galáxias em colisão no aglomerado Abell 3827 mostra a assinatura indicativa do lenteamento gravitacional – a curvatura da rota da luz provocada pela matéria – na forma de arcos azuis. A imagem sugere que a matéria escura no aglomerado pode interagir consigo mesma por meio de alguma “força escura”
Clara Moskowitz

Após décadas estudando a matéria escura, cientistas já encontraram muitas evidências do que ela não pode ser, mas muito poucos sinais do que ela é. Isso pode ter acabado de mudar. Pela primeira vez, um estudo de quatro galáxias em colisão sugere que a matéria escura contida nelas pode estar interagindo consigo mesma por meio de alguma força desconhecida além da gravidade, que não tem efeito sobre a matéria comum.

A descoberta poderia ser um indício significativo sobre o que compõe essa coisa invisível que acredita-se contribuir com 24% do Universo.

“Esse resultado, se confirmado, poderia revolucionar nosso conhecimento sobre a matéria escura”, declara o físico Don Licoln, do Laboratório Nacional do Acelerador Fermi (FermiLab) no estado de Illinois, não envolvido na pesquisa.

 A chamada “matéria escura de auto-interação” foi sugerida há algum tempo mas era geralmente considerada heterodoxa.

O modelo mais simples de matéria escura representa essa entidade como uma única partícula – uma que por acaso interage muito pouco, ou nem um pouco, com outras de seu tipo e com a matéria convencional.

Físicos preferem as explicações mais básicas de um problema e adicionam complicações adicionais quando necessário, então esse cenário tende a ser o mais popular.

Para que a matéria escura interaja ela mesma é necessário não apenas partículas de matéria escura, mas também uma força escura que governe suas interações, além de bósons escuros que carreguem essa força. Essa imagem mais complexa espelha nossa compreensão de partículas de matéria convencional, que interagem por meio de partículas transportadoras de força. Prótons, por exemplo, interagem por meio da força eletromagnética, que é transportada por partículas chamadas de fótons (partículas de luz).

Agora, liderados por Richard Massey da Durham University, na Inglaterra, cientistas relatam em Monthly Notices of the Royal Astronomical Society os primeiros sinais de que forças e bósons escuros podem realmente existir. Pesquisadores usaram o instrumento MUSE (Explorador Espectroscópico Multi Unidade, em inglês) do Very Large Telescope, no Chile, além do Telescópio Espacial Hubble, para examinar o aglomerado Abell 3827, onde quatro galáxias estão colidindo em um acidente cósmico.

Para determinar onde está localizada a matéria escura invisível, astrônomos aproveitam um fenômeno natural chamado de lenteamento gravitacional, previsto pela teoria geral da relatividade de Einstein. O lenteamento ocorre quando massa curva o espaço-tempo, fazendo com que a luz que viaja por essa região alterada assuma uma rota curva.

Existe uma grande quantidade de matéria escura em Abell 3827, que curva o espaço-tempo ao seu redor de maneira significativa. Quando a luz de um objeto distante localizado atrás do aglomerado viaja até a Terra, ela passa por essa área distorcida que produz sinais evidentes de lenteamento, como arcos de luz e imagens duplas, que astrônomos usam para “pesar” a matéria invisível do aglomerado.

Os astrônomos descobriram que, em pelo menos uma das galáxias em colisão, a matéria escura da galáxia havia se separado de suas estrelas e outros tipos de matéria visível por cerca de cinco mil anos-luz. Uma das suposições é que a matéria escura dessa galáxia tenha interagido com a matéria escura de outras galáxias que passavam por ali, e essas interações reduziram sua velocidade, fazendo com que ela se separasse e ficasse para trás da matéria convencional.  

As interações seriam semelhantes ao que ocorre quando dois prótons passam perto um do outro. Cada um deles libera um fóton que é absorvido pelo outro, fazendo com que as duas partículas recuem. Essa força repelente ocorre entre quaisquer duas partículas com a mesma carga eletromagnética e também poderia acontecer entre qualquer par de partículas de matéria escura.

Mas como a matéria escura não é afetada pela força eletromagnética, apenas uma nova força “escura”, transportada por um possível “fóton escuro”, poderia produzir essa repulsão. Também é possível que apenas alguma porção da matéria escura interaja com ela mesma enquanto a maior parte dessa interação segue o padrão mais tradicional, de partícula individual. “Isso realmente parece ótimo para nosso modelo, em que apenas uma pequena fração da matéria escura interage”, explica a física Lisa Randall, da Harvard University, que divisou esse modelo.

Os líderes do estudo são cautelosos ao interpretar suas observações. “Isso é muito, muito empolgante porque é a primeira possível detecção de interações não-gravitacionais, mas precisamos observar o fenômeno em outros objetos”, declara o membro da equipe David Harvey, da Escola Politécnica Federal de Lausanne, na Suíça. “Isso não está nem perto de confirmado”.

É possível, por exemplo, que o padrão observado pelos telescópios tenha sido provocado pela matéria escura no exterior do aglomerado mas na linha de visão da Terra, em vez de ser provocado pela auto-interação de matéria escura. “Essa é uma daquelas situações em que seria tão incrivelmente empolgante que isso fosse matéria escura, que todos os envolvidos precisam ter cuidado em suas abordagens”, alerta o físico Neal Weiner da New York University, não envolvido no estudo.  

A matéria escura de auto-interação, com forças e fótons escuros, pode não ser tão simples como a explicação de partículas individuais, mas é uma ideia tão razoável quanto ela, explica Weiner. “A principal motivação para considerar que a matéria escura tenha suas próprias interações é simplesmente que ela poderia ter sua própria força”.

Essa configuração também poderia explicar algumas pequenas discrepâncias entre previsões do modelo de partículas individuais e o que astrônomos de fato observam. O modelo de partícula individual, por exemplo, afirma que os centros de galáxias deveriam ser mais densos do que realmente são; se a matéria escura interagir consigo mesma, porém, ela tenderia a colidir em núcleos galácticos e se afastar.

Até agora, nenhum sinal da matéria escura de auto-interação apareceu em outras colisões galácticas. Outro famoso local de colisão, o Aglomerado da Bala, foi um dos primeiros a fornecer fortes evidências para a existência de matéria escura, porque o lenteamento gravitacional mostra que a maior parte da massa do aglomerado está localizada em um local diferente daquele da matéria visível. “O resultado não está em conflito com o Aglomerado da Bala”, declara Maruša Bradač, da University of California, Davis, uma das líderes do estudo original do Aglomerado da Bala, conduzido em 2006, porque esse exemplo só determina os limites máximos da força dessa interação.

E outro estudo mais recente, conduzido por Harvey e publicado em março na Science, avaliou 72 colisões de aglomerados galácticos e também não encontrou sinais da matéria escura de auto-interação. Mas os objetos daquele estudo, assim como os do estudo do Aglomerado da Bala, são aglomerados galácticos em colisão – não galáxias individuais se chocando, como é o caso de Abell 3827.

Galáxias isoladas colidem a velocidade menores que aglomerados inteiros, e isso pode ter dado a partículas de matéria escura mais tempo para interagirem umas com as outras e desacelerar. “Existem outros aglomerados observáveis que estão em situação semelhante, mas nenhum deles é tão perfeito como esse”, conclui Harvey. “Em pesquisas futuras, poderemos conseguir observar esses objetos”. 

Publicado por Scientific American em 20 de abril de 2015.