A matéria escura pode sentir uma “força escura” diferente de tudo que existe

Imagem de galáxias colidindo sugere os atrações entre aglomerados de matéria escura.

Depois de décadas estudando a matéria escura, cientistas repetidamente tem encontrado provas do que não pode ser, mas muito poucos sinais do que realmente é. Isso pode ter mudado. Um estudo de quatro galáxias colidindo, pela primeira vez sugere que a matéria escura pode estar interagindo com si própria através de alguma força desconhecida que não é a gravidade e que não tem efeito sobre a matéria comum. O achado poderia ser uma pista significativa para o que engloba o material invisível que acredita-se que contribua com 24% do universo.

“Este resultado, se confirmado, poderia suplantar nossa compreensão da matéria escura,” diz o físico Don Lincoln do Fermi National Accelerator Laboratory, em Illinois, que não estava envolvido na pesquisa. A então chamada “Matéria escura alto-interativa” foi sugeria a algum tempo, mas geralmente tem sido considerada pouco ortodoxa. O modelo mais simples de matéria escura retrata-na como uma única partícula — na qual interage com outras de sua espécie e muito pouco com a  matéria normal.

Os físicos favorecem as explicações mais básicas que adicionam complicações extras somente quando necessário, para que esse cenário tenda a ser mais popular. Para que a matéria escura interaja com si própria, requer não só as partículas de matéria escura, mas também uma força sombria que rege suas interações e partículas de bósons escuros para transportar essa força. Esta imagem mais complexa espelha a nossa compreensão de partículas de matéria normal, que interagem por meio de partículas de força de transporte. Por exemplo, os prótons interagem através da força eletromagnética, que é carregada por partículas chamadas fótons (partículas de luz).

Agora os cientistas liderados por Richard Massey na Universidade de Durham em relatório de Inglaterra na Monthly Notices of the Royal Astronomical Society¹ os primeiros sinais que as forças das trevas e bósons escuros podem realmente existir. Pesquisadores usaram o instrumento Musa (Multi unidade Spectroscopic Explorer) sobre o Very Large Telescope no Chile, junto com o telescópio espacial Hubble para examinar o aglomerado de Abell 3827, onde quatro galáxias estão colidindo num acidente cósmico.

Para determinar onde reside a matéria escura invisível, astrônomos aproveitaram-se de um fenômeno natural chamado lente gravitacional, previsto pela teoria da relatividade geral de Einstein. A Lente ocorre quando a massa distorce o espaço-tempo, fazendo com que a luz que viaja através desta região curve-se para tomar um caminho curvo. A matéria escura de Abell 3827 é abundante, então isso deforma o espaço em torno dele significativamente. Quando a luz de um objeto distante atrás do aglomerado viaja para a terra, que atravessa esta área distorcida e produz sinais indicadores de lente gravitacional (como arcos de imagens leves e duplos), os astrônomos usam esta luz para “pesar” a matéria invisível no aglomerado

Os cientistas encontraram que em pelo menos uma das galáxias que colidem matéria escura na galáxia tinha se separado de suas estrelas e de outro tipo de matéria visível por cerca de 5.000 anos-luz. Uma explicação é que a matéria escura da galáxia interagiu com matéria escura de uma das outras galáxias voando por ele, e essas interações desaceleraram, fazendo com que se separasse e ficasse para trás da matéria normal.

As interações seria semelhantes ao que acontece quando dois prótons passam perto um do outro. Cada um libera um fóton que é absorvido pelo outro, fazendo com que ambas as partículas se recolham. Esta força repulsão acontece entre quaisquer duas partículas com a mesma carga eletromagnética, e pode acontecer entre quaisquer duas partículas de matéria escura também. Mas como a matéria escura não é afetada pela força eletromagnética, apenas uma nova força “escura“, levada por um então chamado “fóton-escuro“, poderia produzir a repulsão. Também pode ser que apenas uma parte da matéria escura interage consigo mesma considerando que a maior parte é um tipo mais tradicional da único-partícula. “Parece muito bom para nosso tipo de modelo, em que apenas uma pequena fração de matéria escura interage,” diz o físico da Universidade de Harvard Lisa Randall, que previu tal modelo.

Matéria escura que interage com as forças escuras e fótons escuros pode não ser tão simples como a explicação de partícula-única, mas é uma ideia apenas como razoável, diz Weiner.“A motivação mais forte para considerar que a matéria escura tenha suas próprias interações é simplesmente que quando olhamos para o modelo padrão, que descreve todas as partículas e forças conhecidas, vemos que está cheio de todos os tipos de interações diferentes. Parece bastante natural que a matéria escura pode ter sua própria força.” Esta configuração também pode explicar algumas pequenas discrepâncias entre as previsões do modelo de partícula-única. Por exemplo, o modelo da partícula-única diz que os centros das galáxias devem ser mais densos do que realmente são; se a matéria escura interage com ela própria, no entanto, ela tenderia a colidir em núcleos galácticos e afastar-se.

Até agora, não há sinais de matéria escura auto interativa aparecendo em outras colisões da galáxia. Outro local de acidente famoso, O aglomerado de bala, foi um dos primeiros a fornecer fortes evidências de que existe matéria escura, porque a lente gravitacional mostra que a maioria da massa do aglomerado reside em um lugar diferente da matéria visível. Mas a separação não é grande o suficiente para sugerir que a matéria escura está interagindo. “O resultado não está em conflito com o Aglomerado da Bala,” diz Maruša Bradač da Universidade da Califórnia, Davis, um dos líderes do original dos estudos do aglomerado, em 2006. E outro estudo mais recente, liderado por Harvey e publicado em março na Science², pesquisou-se 72 colisões de aglomerados de galáxias e também não encontrou sinais de Matéria Escura auto interativa.

Mas os objetivos do estudo, como o aglomerado da bala, são a colisão de aglomerados de galáxias — e não galáxias individuais colidindo como Abell 3827. Galáxias solitárias colidem em velocidades mais lentas do que aglomerados de um todo, e que poderia ter dado as partículas de matéria escura mais tempo para interagir com o outras mais vagarosamente. O verdadeiro teste virá quando os astrônomos olharem para outras colisões da galáxia individuais. “Existem outros aglomerados que podemos olhar e verificar se estão em estados semelhantes, mas nenhum é tão perfeito como este”, diz Harvey. “Mas com pesquisas futuras, esperançosamente seremos capazes de ver estes objetos”.

Fonte: Nature

1. Massey, R. et al. MNRAS 449 3393–3406 (2015).  Artigo
2. Harvey, D., Massey, R., Kitching, T., Taylor, A. & Tittley, E. Science 347, 1462–1465 (2015).   Artigo