Cientistas da Universidade de Minnesota Twin Cities e da Universidade de Paris-Saclay estão questionando a ideia de longa data da matéria escura. As suas últimas descobertas sugerem que esta substância indescritível pode ter sido “incrivelmente quente” – movendo-se quase à velocidade da luz – quando se formou, em vez de fria e lenta, como os investigadores há muito supunham.
A obra foi publicada em Fichas de exame físicoo principal jornal da American Physical Society. Ao reconsiderar como a matéria escura pode ter se originado no universo primitivo, o estudo expande o leque de explicações possíveis sobre a origem da matéria escura e como ela pode interagir com outras formas de matéria.
Desafiando a hipótese de matéria escura fria
Durante décadas, os cientistas acreditaram que a matéria escura devia estar fria quando se separou da intensa radiação que enchia o jovem universo, um processo conhecido como congelamento. A matéria escura fria move-se lentamente, uma propriedade considerada importante para a formação de galáxias e estruturas cósmicas de grande escala. Para rever esta suposição, a equipa de investigação concentrou-se numa fase crítica, mas menos estudada, da história cósmica, chamada aquecimento pós-inflacionário.
Durante o aquecimento, o universo rapidamente se encheu de partículas após o fim da inflação cósmica. Os investigadores estudaram como a matéria escura poderia ter-se formado durante este período energético e o que isso significaria para o seu comportamento futuro.
Por que a matéria escura quente já foi descartada
“O candidato mais simples para a matéria escura (o neutrino de baixa massa) foi descartado há mais de 40 anos porque destruiria estruturas de tamanho galáctico em vez de semeá-las”, disse Kate Olive, professora da Escola de Física e Astronomia. “O neutrino é um exemplo notável de matéria escura quente, onde a formação de estrutura depende de matéria escura fria. É surpreendente que tal candidato, se criado no momento em que o universo quente do Big Bang estava a ser formado, pudesse arrefecer até ao ponto em que realmente agiria como matéria escura fria.”
No passado, partículas em movimento rápido como os neutrinos foram rejeitadas porque as suas altas velocidades teriam achatado a matéria no Universo primitivo, impedindo a formação de galáxias. Isto fez da matéria escura e fria a explicação preferida durante décadas.
Resfriando a tempo de construir galáxias
Um novo estudo mostra que a matéria escura não precisa necessariamente partir de um estado frio. Os investigadores demonstraram que as partículas de matéria escura podem separar-se de outras matérias enquanto ainda são ultrarelativísticas – ou muito quentes – e ainda abrandar o suficiente antes de as galáxias começarem a formar-se. A razão pela qual isto funciona está diretamente relacionada ao reaquecimento, que dá às partículas tempo suficiente para esfriarem à medida que o universo se expande.
“A matéria escura é notoriamente um enigma. Uma das poucas coisas que sabemos sobre ela é que deve ser fria,” disse Steven Heinrich, estudante de pós-graduação na Escola de Física e Astronomia e autor principal do artigo. “Como resultado, durante as últimas quatro décadas, a maioria dos investigadores acreditou que a matéria escura devia ser fria quando nasceu no Universo primitivo. Os nossos resultados recentes mostram que este não é o caso; na verdade, a matéria escura pode ser quente quando nasce, mas ainda tem tempo para arrefecer antes de as galáxias começarem a formar-se.”
Olhando para o futuro, para a descoberta e o universo primitivo
A equipe planeja desenvolver esses resultados investigando como essas partículas de matéria escura podem ser detectadas. Abordagens possíveis incluem pesquisa direta usando colisores de partículas ou experimentos de dispersão e detecção indireta por meio de observações astronômicas.
“Com as nossas novas descobertas, podemos aceder a um período da história do Universo muito próximo do Big Bang”, disse Jan Mambrini, professor da Universidade Paris-Saclays, em França, e co-autor do artigo.
O estudo foi apoiado por financiamento do programa de investigação e inovação Horizonte 2020 da União Europeia, ao abrigo do acordo de subvenção Maria Skladovská-Curie.
