Os cientistas que estudam a matéria escura também podem ser perdoados por se sentirem um pouco mais ansiosos ultimamente. Uma série de experimentos caros destinados a encontrar alguns dos principais candidatos à matéria escura resultaram em frustração.

• Discrepância entre dados e teoria deixa a matéria escura ainda mais misteriosa
• Experimento procura matéria escura, acha outra coisa, e cientistas tentam descobrir o que é

“Agora é uma espécie de temporada de caça�? disse Daniel Carney, um físico teórico da Universidade de Maryland, do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia e do Fermilab. “Os físicos estão realmente se esforçando para pensar em novas maneiras de procurar a matéria escura e novos tipos de matéria escura que possam estar por aí�?

Carney acha que pode ter uma solução potencial. A única coisa que sabemos sobre a matéria escura é que ela exerce uma atração gravitacional. Então, por que não procuramos dessa forma?

Por mais simples que pareça, é uma abordagem que nunca foi tentada antes, em grande parte porque projetar tal experimento envolve calibrações tão requintadas que parecem quase improváveis. Mas Carney e um pequeno grupo de cientistas começaram a trabalhar em um protótipo que, segundo eles, um dia poderia levar a um detector capaz de localizar a atração gravitacional minúscula de uma partícula que não podemos ver nem sentir.

O detector tem um design simples — imagine uma caixa cheia de minúsculas contas penduradas ou suspensas no ar — mas a teoria por trás de sua construção equivale a repensar fundamentalmente a busca por matéria escura.

Os experimentos frustrados

Os astrônomos encontraram pela primeira vez indícios de matéria escura há mais de um século, a partir de observações de como as estrelas se moviam ao redor da Via Láctea. Desde então, mais evidências se acumularam.

Muito disso se resume ao fato de que, em grandes escalas, as coisas no universo se movem de maneiras que as leis da gravidade não conseguem explicar. Galáxias giram tão rapidamente que deveriam se separar; da mesma forma, aglomerados de galáxias não se movem de acordo com nossa compreensão atual da gravidade.

Outras linhas de evidência vêm da maneira como as galáxias dobram a luz ao seu redor e de como a radiação cósmica de fundo em micro-ondas (luz residual do Big Bang) irradia energia.

Tudo isso se soma ao fato de que o universo deveria ter muito mais massa do que podemos ver. A matéria visível representa cerca de 5% da massa do universo — a matéria escura deve representar cerca de cinco vezes mais.

Mas de onde vem essa massa é uma questão em aberto. Os físicos propuseram inúmeras teorias para a matéria escura, como uma classe de nova partícula conhecida como Weakly Interacting Massive Particles (Partículas Massivas de Interação Fraca), ou WIMPs.

Durante anos, os WIMPs foram um dos principais candidatos à matéria escura, e os físicos elaboraram experimentos complexos para capturá-los. Isso incluía piscinas gigantes de xenônio líquido, destinadas a emitir um flash de luz caso um WIMP passasse.

Mas, quase 15 anos depois, os físicos ainda estão esperando por esse flash. E uma série de teorias alternativas para a matéria escura — que ela vem de partículas teóricas chamadas axions, ou de buracos negros primordiais, ou simplesmente que nosso entendimento da gravidade está errado — também não conseguiu produzir quaisquer insights concretos.

Carrilhão de vento

Essa é uma grande parte da razão pela qual Carney propõe reduzir a pesquisa ao insight básico de que a matéria escura deve ter massa.

“�?a abordagem mais simples, na verdade�? disse ele. “Literalmente, a única coisa que você sabe sobre isso é que ela gravita; ela atrai matéria normal gravitacionalmente.�?/p>

O projeto proposto lembra algo como um carrilhão de vento, aqueles sinos que ficam suspensos e são tocados pelo movimento do ar, de acordo com Carney. Um bilhão de minúsculos sensores ficariam imóveis em um espaço fechado, monitorado por uma rede extremamente precisa de lasers capazes de medir movimentos com menos de uma fração do diâmetro de um próton.

“Estão pensando grande. Vai ser muito difícil, mas acho que é muito, muito emocionante.�?/h3>

Carney faz parte da colaboração Windchime (“wind chime” é carrilhão de vento em inglês), um grupo recém-formado de 19 cientistas de várias instituições dedicados a explorar o potencial de um detector gravitacional de matéria escura.

Os detalhes do detector ainda estão em aberto. Os sensores podem ficar pendurados em fios finos ou levitar por ímãs. Ou, eles podem usar acelerômetros, semelhantes aos dos nossos telefones, mas muito mais sensíveis, para monitorar as mudanças de posição.

Como sabemos que a matéria escura gravita, qualquer partícula de matéria escura que passasse exerceria uma pequena atração gravitacional sobre os sensores, sacudindo-os de maneira reconhecível. Carney compara a matéria escura ao vento que agita as barras de um carrilhão de vento, fazendo-as vibrar.

Não é tão simples assim

Mas se a matéria escura é o vento, capturá-lo seria o mesmo que detectar um suspiro no meio de um furacão. Carros passando, passos, rajadas de vento reais — todos eles acionariam os sensores também, tornando a seleção da passagem de uma partícula extremamente difícil.

Por esse motivo, a gravidade não seria a primeira escolha de ninguém quando se trata de encontrar matéria escura, disse Rafael Lang, físico da Purdue e outro membro da colaboração.

“�?uma maneira horrível, porque a gravidade é muito fraca�? disse ele. “�?incrivelmente difícil. É muito, muito ruim. Qualquer outra coisa é melhor do que a gravidade.�?/p>

Ainda assim, disse Lang, o detector gravitacional o intrigou mais do que quase qualquer outro projeto de matéria escura que ele já viu, o suficiente para superar suas reservas sobre as falhas fundamentais de usar a gravidade para procurá-lo.

“Estão pensando grande�? disse Lang. “Vai ser muito difícil, mas acho que é muito, muito emocionante.�?/p>

Inspiração

Os cientistas estão em parte seguindo uma trilha aberta por outro experimento, a colaboração LIGO, que detectou ondas gravitacionais pela primeira vez em 2015.

Esse detector também depende de medições muito precisas de objetos para suas observações. Lasers saltando para frente e para trás entre os espelhos rastreiam sua posição com precisão extraordinária, o suficiente para detectar o alongamento e a contração minuciosa do espaço-tempo que ocorre quando uma onda gravitacional se espalha.

O LIGO, explicou Lang, mostrou que é possível fazer o tipo de medidas ultraprecisas necessárias para que o detector proposto funcione. Esse experimento também deve levar em conta todos os tipos de ruído potencialmente perturbador, incluindo ondas do mar, atividade sísmica e até mesmo moléculas de gás refletindo nos espelhos.

Apesar de tudo isso, o LIGO é capaz de manter os espelhos estáveis ​​o suficiente para detectar movimentos menores do que 1/10.000 o diâmetro de um próton.

Outros fatores

O detector da colaboração Windchime precisaria ser ainda mais preciso. O detector terá de ser tão preciso que até mesmo as flutuações quânticas, causadas em escalas muito pequenas pela incerteza fundamental na posição de uma partícula subatômica, poderia confundir a sensibilidade dos detectores, como Carney detalha em um recente artigo na Physical Review D.

O ruído quântico também é um fator no LIGO, e o experimento desenvolveu algumas maneiras de lidar com ele, incluindo o uso de uma forma de luz que foi manipulada para suprimir as flutuações quânticas. Mas para ser ainda mais preciso, disse Carney, serão necessários anos ou mesmo décadas de trabalho adicional.

No momento, a colaboração Windchime está nos estágios iniciais de construção de um protótipo simples do detector. Essa primeira prova de conceito deve ser sensível o suficiente, pensa Carney, para talvez sentir uma bola de boliche passando. Versões posteriores do detector aumentarão drasticamente a sensibilidade, passando do reino do lazer humano para as partículas subatômicas e além.

Mesmo que o detector seja construído, sua busca pode não revelar nada. Os candidatos potenciais à matéria escura têm massas que abrangem cerca de 90 ordens de magnitude, uma enorme faixa que cobre tudo, desde partículas subatômicas até estrelas. Seu detector será capaz de procurar partículas com massas cobrindo apenas duas ou três ordens de magnitude centradas em torno de um centésimo de milésimo de grama.

Ainda assim, esse intervalo cobre algumas explicações propostas diferentes para a matéria escura, incluindo as pepitas de quark escuras ou os restos de buracos negros primordiais que passam pelo detector.

Com pepitas de quark ou não, um carrilhão de vento com detecção de matéria escura seria um tipo inteiramente novo de experimento para cientistas, oferecendo a promessa tentadora de novas descobertas.

“Até o ano passado, ninguém havia sonhado com tal dispositivo�? disse Lang. “E agora estamos começando a construí-lo.�?/p>

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Uma diferença entre dados astronômicos e simulações de computador deixou uma equipe de cientistas coçando a cabeça diante de mais um caso frustrante em que a realidade não combina com a teoria.

Os cientistas, liderados por Priyamvada Natarajan, astrofísica de Yale, fizeram medições de vários aglomerados de galáxias para investigar a presença de matéria escura. Irritantemente, esses dados não bateram, quando comparados a modelos teóricos de computador. Escrevendo em seu estudo da Science subsequente, os autores “sugerem que problemas sistemáticos com simulações ou suposições incorretas sobre as propriedades da matéria escura podem explicar nossos resultados�?

• Hubble detecta aglomerados de matéria escura observando distorção na luz de objetos distantes
• Matéria escura “contra-ataca�?e volta a ser considerada como possível fonte de raios gama no centro da galáxia

Em outras palavras, é hora de voltar para os cálculos.

Existem muito mais coisas no universo do que podemos ver, como evidenciado pela maneira como objetos distantes interagem uns com os outros. Essa coisa que está faltando é chamada de matéria escura e, apesar de constituir a grande maioria da matéria no universo, ela não emite, absorve ou reflete luz. Mas é uma coisa muito importante apesar de ser tão indescritível, pois une estrelas dentro de galáxias, enquanto encadeia galáxias para formar aglomerados.

E, de fato, aglomerados de galáxias, nos quais milhares de galáxias estão enclausuradas, servem como laboratórios distantes para estudar a matéria escura. Os aglomerados de galáxias são repositórios massivos de matéria escura devido à sua tremenda influência gravitacional. Bolhas do material na forma de halos de matéria escura podem ser detectados indiretamente vagando por aglomerados de galáxias, bem como galáxias individuais estacionadas dentro deles.

Claro, os astrônomos não podem realmente ver esses halos de matéria escura, mas podem ver a maneira como essas bolhas invisíveis podem dobrar a luz. Este fenômeno, conhecido como lente gravitacional, distorce e reposiciona objetos de fundo de nossa linha de visão. As lentes gravitacionais são muito legais porque permitem que os astrônomos vejam, por exemplo, uma galáxia que estaria oculta por outra mais próxima a ela. É importante ressaltar que quanto mais matéria escura estiver ao redor, maior será o efeito de lente observado.

Para o novo estudo, Natarajan e seus colegas analisaram imagens de 11 aglomerados de galáxias massivas obtidas pelo Telescópio Espacial Hubble, que foram complementadas por medições espectrográficas coletadas pelo Very Large Telescope (VLT) do Observatório Europeu do Sul. Os dados do Hubble, em luz visível e infravermelha, foram obtidos em 2011 pela Advanced Camera for Survey e pela Wide Field Camera 3 do telescópio.

Imagem do Hubble do aglomerado de lentes MACS J1206. A imagem inserida mostra a distribuição espacial da matéria escura, com as pontas indicando galáxias individuais.
Imagem: NASA, ESA, G. Caminha (Universidade de Groningen), M. Meneghetti (Observatório de Astrofísica e Ciências Espaciais de Bolonha), P. Natarajan (Universidade de Yale) e equipe CLASH

Dados do Hubble e do VLT permitiram aos pesquisadores visualizar a matéria escura. Os mapas 3D, com suas colinas, vales e estalagmites exagerados, mostravam a distribuição espacial dos halos. As estalagmites, ou regiões com picos, mostraram a localização de halos de matéria escura, ou subhalos neste caso, associados a galáxias individuais localizadas dentro de um aglomerado.

A equipe então pegou esses dados de alta fidelidade e os comparou a simulações de computador de clusters com massas semelhantes e em distâncias comparáveis baseadas nas teorias. Os modelos não correspondem aos dados astronômicos; os autores detectaram lentes menores nas imagens do Hubble em comparação com as produzidas pelas simulações.

“Há uma característica do universo real que simplesmente não estamos capturando em nossos modelos teóricos atuais�? explicou Natarajan em um comunicado divulgado pela Yale. “Isso pode sinalizar uma lacuna em nossa compreensão atual da natureza da matéria escura e suas propriedades, já que esses dados requintados nos permitiram sondar a distribuição detalhada da matéria escura nas menores escalas.�?/p>

Bob Jacobsen, um físico de UC Berkeley que não estava envolvido na nova pesquisa, disse que os dois mapas — um produzido pelos dados do Hubble e o outro pelas teorias atuais da matéria escura — parecem estar em conflito. Curiosamente, ele disse que a construção de ambos os mapas é “fortemente dependente�?de cálculos e simulações.

“Isso adicionará uma pressão importante para melhorar e compreender esses modelos computacionais e simulações�? explicou Jacobsen por e-mail. “Medições sólidas tendem a fazer isso. Mas ainda não sabemos se isso está nos dizendo algo sobre nossos cálculos e simulações, ou se está nos dizendo algo fundamental sobre a matéria escura.�?/p>

Outro pesquisador enfatizou a complexidade dessa ciência cósmica.

“Faltam muitas peças no que sabemos hoje sobre a matéria escura�? disse Esra Bulbul, astrofísica do Instituto Max Planck de Física Extraterrestre que não participou deste novo estudo. “Comparar simulações de última geração e testar os modelos atuais de matéria escura com dados de alta qualidade, conforme apresentado neste trabalho, nos deixa um passo mais perto de resolver esse complicado quebra-cabeça.�?/p>

É um resultado frustrante, com certeza, mas ainda é um resultado. E, como Jacobsen sugeriu, temos que ficar mais espertos com a coisa toda. Resolver o mistério da matéria escura exigirá mais observações do espaço profundo e algum processamento numérico eficaz. Só precisamos saber quais números calcular.

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Nesta quarta-feira (17), os cientistas por trás do experimento de matéria escura XENON1T relataram o resultado de uma busca em seus dados. Eles buscavam por partículas que interagiram com os elétrons em seu meio de detecção. Os pesquisadores descobriram evidências de um excesso, isto é, mais interações com o detector do que o Modelo Padrão da física de partículas previa. Eles ainda não sabem o que causa o sinal. Pode ser um evento raro, mas trivial, ou pode ser evidência de algum outro fenômeno físico desconhecido.

“Estávamos quebrando a cabeça para pensar no que poderia ser”, diz Laura Baudis, astrofísica de partículas da Universidade de Zurique. Ela explicou que Michelle Galloway, também pesquisadora da instituição, ficou acordada até altas horas da noite para trabalhar com Evan Shockley, estudante de graduação da Universidade de Chicago, e Jingqiang Ye, estudante da Universidade da Califórnia em San Diego, na conclusão da análise.

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Um excesso inesperado

O XENON1T é um experimento que contém 3,2 toneladas métricas do elemento xenônio. Ele está enterrado nas profundezas de uma montanha no Laboratório Nacional INFN de Gran Sasso, na Itália, que coletou dados de 2016 a 2018.

O experimento funciona da seguinte forma: ele espera partículas que mal interagem com a matéria causem uma ligeira batida nos núcleos do xenônio ou em seus elétrons, liberando minúsculos flashes de luz detectados por sensores nas paredes do experimento.

Os cientistas da XENON collaboration querem usá-lo para descobrir a verdadeira identidade da matéria escura, o material misterioso cuja gravidade parece servir como andaime do universo, mas que nossas teorias da física de partículas não conseguem explicar. Até agora, os dados do experimento não revelaram novos fenômenos físicos.

Mas os dados do XENON1T coletados de fevereiro de 2017 a fevereiro de 2018 revelaram um inesperado excesso de interações de baixa energia com os elétrons do xenônio. Em vez dos esperados 232 eventos, foram observados 285, de acordo com o artigo publicado hoje no site do XENON1T.

As possíveis causas

Os físicos levantaram hipóteses para várias fontes potenciais do excesso, testando suas ideias contra os dados. Eles chegaram às três fontes mais prováveis.

Talvez uma partícula teórica não observada chamada áxion tenha atingido o detector depois de viajar do sol.

Talvez uma propriedade da partícula neutrino, chamada momento magnético, seja mais alta do que o previsto anteriormente.

Ou talvez eles simplesmente tenham visto um processo radioativo de fundo não contabilizado, o decaimento do isótopo de hidrogênio chamado trítio. Apenas alguns átomos de trítio espalhados nas duas toneladas de xenônio ultra-puro poderiam ter produzido o sinal.

Áxions são uma partícula teorizada de baixa massa destinada a resolver um problema de física chamado problema da CP forte, que pergunta por que as partículas subatômicas chamadas quarks seguem as mesmas leis da física quando você as substitui pelas correspondentes com a carga oposta, já que não haveria razão para isso.

Se existissem áxions, os cientistas preveem que o Sol os produziria em seu âmago, e poderíamos detectá-los da Terra. Os áxions também seriam um dos responsáveis para explicar pelo menos um pouco da matéria escura.

Ao passar pelo detector, os áxions solares se pareceriam mais com os sinais que os pesquisadores observaram, com uma significância de 3,5 sigma, o que significa que há uma chance de 99,98% de que o sinal observado não tenha sido causado por processos físicos típicos.

No entanto, ao introduzir o decaimento de trítio como outro processo em segundo plano, a significância diminui para 2 sigma, ou uma chance de 95% de que as interações físicas típicas mais o trítio em decomposição não tenham causado o sinal, disse Baudis.

Mais dados poderiam facilmente eliminar tal flutuação, como já ocorreu no passado. Os físicos de partículas buscam uma significância de 5 sigma para proclamar que uma descoberta foi feita.

Muita calma nessa hora

Outros físicos ficaram impressionados com a quantidade de trabalho e reflexão que a análise exigiu ​​e com a extrema sensibilidade do detector. Mesmo assim, pediram cautela com as interpretações dos resultados.

“Eles fizeram um trabalho tremendamente bom em entender o que estava em segundo plano”, diz Bob Jacobsen, professor da Universidade da Califórnia em Berkeley, que não esteve envolvido com este trabalho. Mas ele ressaltou que simplesmente não há muitos dados para analisar aqui. “São apenas pistas realmente interessantes.”

Javier Redondo, físico da Universidade de Zaragoza, na Espanha, diz que o sinal parecia exatamente como se áxions solares estivessem passando pelo XENON1T. No entanto, ele disse, se partículas hipotéticas de áxion produzidas pelo Sol criarem esse sinal, isso implica uma interação mais forte entre eles e os elétrons do que a teoria prevê hoje.

“Mesmo o nosso Sol não concordaria com os melhores modelos e experimentos teóricos, assim como agora”, comenta. As propriedades do áxion solar implícitas no experimento XENON1T precisariam que o Sol fosse mais quente do que os astrônomos preveem e produzisse muito mais neutrinos do que os astrônomos observam.

Ele disse que, para que a análise o convencesse de eram os áxions solares que estavam causando o excesso, ele gostaria de ver uma prova irrefutável — áxions solares aparecendo em experimentos dedicados chamados helioscópios solares magnéticos, por exemplo. Talvez alguma outra partícula desconhecida esteja causando o sinal, diz ele.

A busca continua

Descobrir a verdadeira causa do sinal exigirá mais trabalho. Um conjunto de experimentos semelhantes, como o experimento LZ no Sanford Underground Research Facility, em Dakota do Sul (EUA), e o PandaX, que fica no Laboratório Subterrâneo de Jinping, em Sichuan, China, provavelmente seguirão com suas próprias análises para ver se encontram o mesmo sinal.

O experimento XENON1T receberá em breve uma atualização para se tornar XENONnT — agora com ainda mais xenônio líquido. Depois disso, os físicos poderão repetir essa análise. O XENONnT e os helioscópios solares magnéticos devem ser capazes de detectar e explicar esse sinal mais facilmente — se ele realmente estiver lá, é claro. “Há muitos questões”, diz Baudis.

Assim é o caminho da física. Às vezes, os sinais mais interessantes estão nos extremos da sensibilidade de um experimento e não ocorrem com frequência suficiente para os físicos declararem uma descoberta. Embora todos esperemos que esses sinais se transformem em alguma característica inexplicável do universo, às vezes eles são apenas o decaimento comum de alguns átomos radioativos irritantes. No momento, os físicos não sabem o que estão vendo. Tudo o que eles podem dizer é que isso tudo definitivamente é interessante.

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Antes de mais nada, o que é a matéria escura? A matéria regular, ao que parece, forma apenas uma pequena parte do universo. Uma porção bem maior parece ser material “escuro”, que influencia a matéria regular via gravidade, mas, até agora, ninguém foi capaz de detectá-lo diretamente.

A teoria mais amplamente aceita para explicar a matéria escura sugere que é uma partícula de movimento lento que pode formar aglomerados no universo. Novas observações do Hubble fornecem evidências dos menores aglomerados de todos os tempos, o que, se tudo der certo, levará adiante a busca dos cientistas pelo material misterioso.

Há décadas, os pesquisadores estão cientes de várias discrepâncias entre o comportamento observado dos objetos e o que era previsto pela teoria. Essas discrepâncias poderiam ser corrigidas com uma fonte de massa não observada.

Isso levou a uma teoria predominante que incluía uma matéria escura “fria�?ou de movimento lento (versus matéria escura rápida e “quente�? e também a várias pesquisas usando telescópios, coletores de partículas e detectores de partículas sensíveis para encontrar a identidade dessa massa. A matéria escura e fria deve se agrupar em escalas muito menores que uma galáxia, mas os cientistas não haviam encontrado evidências desses aglomerados — até agora.

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A busca por aglomerados se baseia em um conceito chamado lente gravitacional. A massa distorce a forma do próprio espaço-tempo. Por isso, os cientistas podem procurar fontes de massa recorrendo a alterações na aparência de uma luz de fundo distante.

Essa distorção pode fazer com que objetos brilhantes apareçam como várias cópias no céu noturno. Os cientistas Leonidas Moustakas e Ben Metcalf, no início dos anos 2000, desenvolveram um método no qual eles focavam em determinados objetos. Uma galáxia no meio do caminho distorcia a luz e criava um “quad”, como eles chamaram o conjunto de quatro imagens replicadas da fonte de luz de fundo. Geralmente, essa fonte é um objeto distante e brilhante chamado quasar.

Porém, objetos menores, como aglomerados de matéria escura, também podem alterar o brilho das imagens. A comparação de cada uma das quatro imagens permite que os pesquisadores determinem se existem halos ou aglomerados menores de matéria escura no caminho.

Mas as observações passadas tinham um problema: outros objetos de luz também podiam causar distorções e criar um sinal que imitava a matéria escura. Esse efeito é chamado microlente.

A cientista Anna Nierenberg, que agora trabalha no Laboratório de Propulsão a Jato da CalTech, percebeu que os quasares liberam um tipo de radiação chamada “emissão de linha estreita nuclear” que não é afetada por microlentes e que o Hubble seria capaz de detectar essa emissão.

Ela e sua equipe apresentaram uma proposta para estudar essas emissões pela primeira vez em 2014, quando ela ainda era uma estudante de graduação. Após uma longa espera, que incluiu aquisição de dados e análise em oito desses “quads”, eles divulgaram seus resultados em um artigo no periódico Monthly Notices, da Royal Astronomical Society.

“É uma grande validação para mim enquanto cientista no início da carreira”, disse Nierenberg ao Gizmodo. Ela também contou que ficou animada por sua proposta ter sido selecionada e por ter durante algum tempo o poder de escolher para onde o Hubble deveria apontar.

Um segundo artigo no mesmo periódico, liderado por Daniel Gilman, da UCLA, argumenta que os dados concordam melhor com modelos de matéria escura fria que incluem aglomeração do que com modelos sem aglomeração.

Os menores aglomerados que produziriam os efeitos observados teriam entre 1 milhão e 10 milhões de vezes a massa do Sol, uma massa muito menor que a de uma galáxia e talvez pequena demais para conter estrelas. Seria apenas um grande agrupamento de matéria escura.

É uma observação emocionante. “As lentes de subestrutura têm sido objeto de sonho, pois poderiam revelar a natureza da matéria escura. Elas foram procuradas por quase duas décadas devido a problemas técnicos — durante muito tempo, havia apenas sete lentes adequadas para estudos de lentes de subestrutura�? Annika Peter, professora associada em física na Universidade Estadual de Ohio que não participou do estudo, disse ao Gizmodo em um e-mail. “O artigo [de Gilman], com essa grande amostra, mostra o quão grandes podem ser  as restrições à natureza da matéria escura.”

Basicamente, o modelo mais simples de matéria escura fria ainda funciona e será ainda melhor testado com mais desses quads.

Esta é apenas mais uma evidência da matéria escura fria, e os cientistas ainda estão tentando descobrir do que ela é feita.

Nierenberg disse que não estamos no ponto em que os pesquisadores podem ter certeza de que a matéria escura é uma partícula que será encontrada em um experimento na Terra. Mas este artigo serve para verificar se a fria é o tipo certo de matéria escura para os cientistas caçarem.

Obviamente, a possibilidade de que a matéria escura seja algo completamente maluco, algo sobre o qual os cientistas ainda não pensaram, não está fora de questão. Teremos que ser pacientes. Afinal, essas buscas geralmente levam décadas.

Os pesquisadores continuarão em busca dessas lentes, o que fornecerá mais restrições às propriedades da matéria escura. Nierenberg disse que há mais dados do Hubble para analisar, e possivelmente o futuro Observatório Vera Rubin será capaz de encontrar outros tantos. A busca continua.

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Esta semana, a divulgação de um novo estudo dizia que “novas evidências mostram que a principal suposição feita na descoberta da energia escura está errada”, o que atraiu a atenção de muitos astrônomos. Porém, cientistas já identificaram alguns problemas com as afirmações do artigo.

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Entendendo a energia escura

Hoje, a teoria mais popular sobre o comportamento do universo em maior escala é chamada lambda-CDM �?e ela pode parecer um pouco desagradável.

Basicamente, a teoria diz que a matéria regular que podemos observar diretamente constitui menos de 5% do universo. A matéria escura, coisas cujos efeitos só podemos ver indiretamente por meio da gravidade que ela exerce, constitui pouco menos de 25%. O restante seria energia escura, uma força misteriosa que faz com que a expansão do Universo acelere.

Diversas evidências independentes apoiam a existência da energia escura. Os cientistas usam um tipo de supernova específica chamada tipo 1a como uma “vela padrão” �?eles têm um bom conhecimento sobre o brilho dessas supernovas, então calculam suas distâncias com base na quantidade de brilho que chega até a Terra.

As flutuações de vibração através do universo primitivo que se fixaram enquanto tudo esfriava deixaram uma marca na distribuição da matéria normal, que pode ser usado como uma espécie de régua.

Essa compreensão das distâncias permite aos cientistas calcular a expansão do Universo, fornecendo ainda mais evidências de energia escura.

Finalmente, as flutuações de temperatura na radiação detectável mais distante do universo, a radiação cósmica de fundo em micro-ondas, parecem mostrar que o universo é plano �?uma propriedade que exigiria a existência da energia escura para que a matemática funcionasse corretamente.

Três astrônomos ganharam o Prêmio Nobel 2011 por sua descoberta de 1998, na qual eles usaram supernovas tipo 1a para determinar que a expansão do universo estava se acelerando, sugerindo a existência de energia escura.

As tais “velas padrão” ofereceram distâncias confiáveis, enquanto a quantidade de cor de cada supernova mudava à medida que a sua luz viajava para a Terra, algo conhecido como seu redshift (desvio para o vermelho). Esse conjunto de fatores oferecia dados sobre a sua velocidade.

Juntando tudo, temos um cálculo da aceleração da expansão do universo.

O novo artigo

É aqui que entra o novo e controverso artigo. O trabalho, realizado por pesquisadores da Universidade Yonsei e do Instituto de Astronomia e Ciências Espaciais da Coreia e da Universidade de Lyon na França, realizou observações de supernovas tipo 1a em galáxias próximas usando o telescópio de 2,5 metros do Observatório Las Campanas (LCO) e o telescópio de 6,5 metros do MMT.

Eles concluíram que as supernovas tipo 1a podem não ser as “velas padrão” que os astrônomos imaginavam. O trabalho encontrou evidências estatísticas de uma correlação entre a idade das estrelas em 32 galáxias próximas e o brilho das supernovas do tipo 1a que essas galáxias contêm.

Sendo assim, eles dizem que a pesquisa lança dúvidas sobre a existência da energia escura, porque as principais evidências que apontam para a sua existência dependem de que todas essas supernovas tenham um brilho previsível. Se o brilho difere das expectativas, como o novo estudo mostra, então os cálculos que levam à energia escura devem estar errados.

A controvérsia

Uma pesquisadora não envolvida no estudo, Renée Hložek, professora de astronomia e astrofísica no Dunlap Institute for Astronomy da Universidade de Toronto, disse ao Gizmodo que os resultados dependem de extrapolações entre essas galáxias próximas e galáxias distantes.

Além disso, o trabalho implica que algumas dessas galáxias devem ser mais velhas que a idade do Universo �?algo que obviamente não é possível.

Dan Scolnic, professor assistente de física que estuda supernovas tipo 1a na Duke University, disse ao Gizmodo que os pesquisadores usaram uma amostra pequena e tendenciosa de apenas galáxias antigas e próximas de nós. Mas as medições de energia escura são feitas com uma amostra muito maior de supernovas e muitas vezes de galáxias muito mais jovens que não são totalmente descritas por essa amostra.

Hložek disse ao Gizmodo que este trabalho é valioso, especialmente porque estes tipos de supernovas serão um alvo de estudo próximo Observatório Vera Rubin. Mas ela gostaria de ver um estudo mais robusto sobre uma amostra maior e mais relevante.

Este artigo não é o primeiro a irritar os cosmólogos ao argumentar que a energia escura não existe. Outro artigo do ano passado afirmava que nossas observações de supernovas eram na verdade um artefato da nossa região do espaço acelerando. Os cosmólogos descobriram que o artigo também apresentava falhas, como aponta a Quanta Magazine.

Essa certamente não será a última tentativa de derrubar a energia escura – afinal, conseguir provar que um paradigma está errado trará muito reconhecimento e fama para os cientistas.

Isso não quer dizer que a energia escura deva ser tratada como dogma; o objetivo da ciência é criar hipóteses suficientes para que só a verdade permaneça. Os cientistas deveriam questionar paradigmas e encontrar discrepâncias sempre que pudessem.

Mas, neste caso, parece que as provas usadas pelo estudo não são suficientes para convencer os cosmólogos.

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Já faz uma década que os astrofísicos sabem que o centro da Via Láctea está emitindo muitos raios gama em nossa direção. Uma coisa misteriosa chamada matéria escura já foi considerada a principal hipótese de causa desse excesso, mas análises de dados subsequentes apontavam para alguma coisa mais comum, mais mundana. Mas agora, uma nova análise pode trazer a matéria escura de volta como uma explicação para o fenômeno.

“Se o sinal for mesmo de matéria escura, isso é enorme para a nossa compreensão do universo”, disse Rebecca Leane, pesquisadora e pós-doutoranda no Centro de Física Teórica do MIT, ao Gizmodo. “Sabemos que a matéria escura compõe a maior parte do universo, mas não temos muita ideia do que ela é (…) se houver um sinal de matéria escura, isso teria um impacto enorme e profundo. Seria muito interessante.�?/p>

O Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi mediu pela primeira vez em 2009 um excesso misterioso de luz de alta energia, os chamados raios gama, que irradia do centro da galáxia.

Desde então, modelos matemáticos sugeriram duas hipóteses principais para o que poderia causar este excesso: estrelas giratórias de nêutrons chamadas pulsares ou colisão de partículas de matéria escura que se aniquilam. A matéria escura é a massa não identificada que parece formar os andaimes do universo.

Mas em 2016, dois artigos publicados na revista Physical Review Letters apresentaram dois modelos matemáticos diferentes que pareciam favorecer uma população desconhecida de pulsares como um melhor ajuste para os dados, sem a necessidade de recorrer à matéria escura. A hipótese da matéria escura, então, começou a cair em desuso.

Então, em abril de 2019, Leane e Tracy Slatyer, outra física teórica do MIT e autora de um dos artigos de 2016, colocaram um artigo no servidor de artigos de física arXiv intitulado “Dark Matter Strikes Back at the Galactic Center�? ou “A matéria escura contra-ataca no centro da galáxia”, em tradução livre. O trabalho explica que os modelos de 2016 podem estar errados.

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As pesquisadores revisaram primeiro o método de ajuste do modelo não-poissoniano (NPTF, na sigla em inglês). Ele foi usado para calcular as várias origens de luz no céu noturno e trata a luz total como uma combinação de fontes diferentes, cada uma modelada por um template. Todos os templates juntos contribuem para uma probabilidade de que um certo número de fótons seja observado em cada pixel de uma imagem.

Mas, na análise dos dados simulados, parece que a soma dos modelos pode não descrever corretamente o que realmente está acontecendo. Eles demonstraram que uma contribuição dos raios gama da matéria escura pode ser facilmente mal interpretada como proveniente de “fontes pontuais”, isto é, de objetos parecidos com estrelas no céu, provavelmente pulsares.

Quando eles introduziram dados de um sinal falso que simulava o efeito da matéria escura nos dados reais, o modelo o atribuiu a fontes pontuais.

“Isso sugere que os dados foram mal modelados de alguma forma, e que a matéria escura pode ser a principal contribuinte para o excesso [de luz] do centro galáctico, apesar de tudo — embora isso não constitua evidência positiva para a matéria escura, e o [excesso] ainda possa ser composto principalmente por fontes pontuais �? escrevem as autoras no artigo, que foi publicado na Physical Review Letters nesta semana.

Além disso, no mês passado, uma equipe separada de cientistas publicou um artigo no arXiv em que refuta as conclusões do segundo artigo de 2016.

Em essência, este trabalho lança dúvidas sobre a análise usada anteriormente para atribuir o excesso aos pulsares, demonstrando uma falha nos métodos iniciais de análise de dados.

Esses resultados estão deixando os pesquisadores que estudam a matéria escura animados. “Acho que nunca estive tão otimista quanto agora, com esta interpretação da matéria escura neste sinal”, disse Dan Hooper, cientista sênior e chefe do Grupo de Astrofísica Teórica do Fermi National Accelerator Laboratory. Ele contou que espera que experimentos dedicados agora busquem fontes semelhantes de emissões nas galáxias anãs que orbitam a Via Láctea.

Mariangela Lisanti, professora de Princeton que trabalhou no artigo de 2016 com Slatyer, concordou que “�?muito importante avaliar cuidadosamente as incertezas envolvidas em qualquer busca de matéria escura, especialmente uma que se concentre nos raios gama do centro galáctico da Via Láctea�? ela disse ao Gizmodo em um e-mail.

No entanto, ela não acha que os testes invalidam as conclusões do trabalho de 2016, que ela e seus colaboradores mostraram em um artigo publicado no arXiv no meio do ano.

“Meus colaboradores e eu continuamos estudando o problema com cuidado, melhorando a metodologia estatística e o tratamento da contaminação por raios cósmicos que podem complicar qualquer análise de raios gama no centro galáctico”, disse ela ao Gizmodo. “É um problema desafiador, mas até agora nossos resultados permanecem geralmente consistentes com as conclusões do estudo original de 2016.”

Todas essas idas e vindas demonstram como modelar dados obtidos do espaço é difícil e pode levar a erros nas interpretações. É como diz o ditado: “Todos os modelos são errados, mas alguns são úteis”. Mais evidências concretas serão necessárias para que seja revelada a verdadeira identidade da fonte dos misteriosos excessos de raios gama.

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Caminhadas espaciais acontecem regularmente (houve um histórico no mês passado) , mas nesta sexta-feira (15) está acontecendo a missão de manutenção mais complexa desde a missão de reparo do Hubble, de acordo com a NASA. O último reparo do Hubble ocorreu há uma década. Os astronautas estão trabalhando para consertar um experimento empolgante na caça à matéria escura, o material que compõe a maior parte da massa do universo, mas que só foi observado indiretamente. Após uma década de desenvolvimento, o espectrômetro magnético alfa (AMS) foi trazido para a ISS no penúltimo voo do ônibus espacial em 2011.

O AMS é um controverso detector de partículas a bordo da ISS que mede as partículas de alta energia que irradiam através do espaço chamadas raios cósmicos. Ele é mais famoso por ser um dos vários experimentos que detectaram um excesso no parceiro antimatéria do elétron, chamado pósitron. Até hoje, não está completamente claro de onde vêm esses pósitrons extras nos raios cósmicos – talvez tenham se originado em uma estrela próxima de nêutrons ou talvez sejam o sinal de algo mais exótico, como a matéria escura. Espera-se que pesquisas usando dados do AMS também verifiquem uma queda estranha na antimatéria de alta energia observada pelo satélite chinês DAMPE.

O AMS também está em busca de antimatéria, principalmente ligadas aos núcleos de hélio. Os raios cósmicos não podem produzir esses núcleos, o que significa que eles teriam nascido em algum outro lugar do universo, talvez em uma galáxia feita principalmente de antimatéria. Muitos são céticos quanto à existência dessas áreas no universo, relata a Science.

Devido a todo o trabalho que o AMS já realizou, ele também está em estado crítico. Três das quatro bombas de refrigeração falharam. A caminhada espacial desta sexta-feira faz parte de uma série (pode haver quatro ou cinco) para substituir as bombas e reabastecer o líquido de refrigeração. Se esses reparos falharem, pelo menos o experimento terá expandido o conhecimento dos cientistas sobre os raios cósmicos e como eles funcionam.

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