A composição da matéria escura pode ajudar na sua detecção

Por: Minuto Parana

Durante décadas, cientistas tentam compreender o que aconteceu nos primeiros instantes após o surgimento do Universo e quais processos poderiam ter deixado marcas observáveis até os dias atuais. Para isso, modelos teóricos são constantemente confrontados com dados cosmológicos, e pequenas mudanças na forma como determinados fenômenos são descritos podem alterar significativamente aquilo que é considerado possível. Uma nova análise sobre o comportamento da matéria e da energia nas condições extremas do Universo primordial levanta dúvidas sobre algumas das limitações adotadas em pesquisas anteriores.

Novas pesquisas sugerem que, caso a matéria escura seja composta por partículas hipotéticas conhecidas como fótons escuros, ela talvez não tenha aquecido o Universo primordial da maneira que os cientistas imaginavam. Se essa interpretação estiver correta, o resultado poderá mudar significativamente a forma como os pesquisadores procuram pela matéria escura, uma das maiores incógnitas da cosmologia moderna.

A matéria escura continua sendo extremamente difícil de detectar porque, embora sua quantidade seja estimada em cerca de cinco vezes a da matéria comum que forma estrelas, planetas, luas e seres vivos, ela praticamente não interage com a luz. A matéria comum, por outro lado, é formada por partículas como elétrons, prótons e nêutrons, que interagem com a radiação eletromagnética. Essa diferença levou os físicos a procurar partículas que não fazem parte do Modelo Padrão da física de partículas e que poderiam explicar a natureza da matéria escura.

Entre os candidatos está o chamado fóton escuro, uma partícula hipotética que seria, de certa forma, uma versão do fóton pertencente a um setor “escuro” do Universo. Enquanto o fóton comum está associado à força eletromagnética, o fóton escuro estaria relacionado a uma força desconhecida que não faria parte das interações observadas na matéria comum.

Em estudos anteriores, os cientistas haviam considerado a possibilidade de que fótons escuros se transformassem em fótons comuns durante os primeiros momentos da história do Universo. Naquela época, o cosmos era preenchido por um plasma extremamente quente e denso, composto por partículas em intensa interação. Segundo os modelos anteriores, a conversão dos fótons escuros em fótons comuns liberaria uma quantidade significativa de energia nesse plasma, aumentando ainda mais sua temperatura e deixando sinais que poderiam ser detectados atualmente.

Essa possibilidade restringia consideravelmente as condições nas quais os fótons escuros poderiam existir. Algumas observações cosmológicas chegaram a excluir grandes regiões dos parâmetros necessários para que essas partículas fossem responsáveis pela matéria escura.

Agora, novas simulações computacionais indicam que essa conclusão pode ter sido precipitada. Os pesquisadores descobriram que a conversão de fótons escuros em fótons comuns provavelmente seria interrompida antes que uma quantidade significativa de energia pudesse ser transferida para o plasma primordial. Isso significa que regiões dos parâmetros anteriormente consideradas incompatíveis com a existência de fótons escuros podem voltar a ser investigadas.

Segundo Anson Hook, da Universidade de Maryland, algumas das restrições anteriores indicavam que a intensidade associada à matéria escura teria de ser até 100 milhões de vezes menor do que poderia realmente ser. Para o pesquisador, o novo trabalho amplia consideravelmente as possibilidades de investigação da matéria escura.

A equipe chegou a essa conclusão depois de perceber que havia algo estranho na quantidade de energia que, de acordo com os cálculos anteriores, deveria ser transferida durante a conversão. O processo vinha sendo tratado, nos últimos anos, por meio de uma aproximação linear. Em termos simples, isso significa considerar que a energia seria transferida de maneira gradual e previsível do setor dos fótons escuros para o plasma formado pelas partículas do Modelo Padrão.

Quando os pesquisadores analisaram o problema por meio de simulações computacionais mais detalhadas, perceberam que essa aproximação não descrevia adequadamente o comportamento do plasma. À medida que a energia começava a ser transferida para o plasma primordial, o sistema passava a apresentar efeitos não lineares, ou seja, mudanças em uma parte do sistema começavam a alterar a própria maneira como as demais partes respondiam.

Esses efeitos tornam o comportamento do plasma muito mais complexo do que o previsto pelo modelo linear. De acordo com Junwu Huang, do Perimeter Institute, os cálculos mostraram que o plasma se torna altamente instável durante o processo e que as não linearidades acabam interrompendo a transferência de energia depois que apenas uma pequena quantidade foi convertida.

Na prática, isso significa que os fótons escuros poderiam ter interagido com o Universo primordial sem necessariamente provocar o intenso aquecimento que os modelos anteriores previam. Como consequência, uma série de possibilidades que havia sido descartada na busca pela matéria escura volta a ser considerada pelos pesquisadores.

O resultado amplia significativamente o espaço de parâmetros no qual os fótons escuros poderiam existir e, consequentemente, aumenta a região do “território” que os cientistas podem explorar em busca de evidências dessas partículas. A descoberta também pode ter consequências para a investigação de outras partículas hipotéticas que não fazem parte do Modelo Padrão da física de partículas.

Para Mohamad Shalaby, também do Perimeter Institute, compreender corretamente o comportamento do plasma do Universo primordial poderá permitir que experimentos investiguem regiões dos parâmetros que anteriormente não eram consideradas promissoras. Em determinadas condições, essas buscas poderão até revelar diretamente sinais de novas partículas.

A principal implicação do estudo, portanto, não é a confirmação de que a matéria escura seja formada por fótons escuros, mas a possibilidade de que uma importante restrição usada para procurar essas partículas tenha sido baseada em uma descrição incompleta do plasma primordial. Se os novos cálculos forem confirmados por pesquisas futuras, os cientistas terão diante de si uma área muito maior para investigar na tentativa de descobrir a composição da matéria escura e, consequentemente, compreender melhor a natureza do Universo.

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