Apesar da riqueza de experiências sofisticadas e das contribuições de alguns dos maiores intelectos do nosso tempo, a busca pela matéria escura continua. Pode ser responsável por um quarto da densidade de energia do Universo, mas até à data, todas as tentativas de detecção directa revelaram-se infrutíferas.
A matéria enigmática não absorve nem emite luz. Também não interage com as três das quatro forças fundamentais da natureza. Essas propriedades indescritíveis tornam quase impossível identificá-las.
Pesquisadores de todo o mundo estão ansiosos para descobrir os mistérios da matéria escura – desde a busca por WIMPs no Grande Colisor de Hádrons (LHC) até o detector de áxions de última geração da Universidade de Washington. Embora algumas teorias prevejam que a resposta será encontrada numa dimensão extra escondida, outras preferem buracos negros e estrelas de neutrões.
Apesar da falta de evidências diretas, a grande maioria dos astrofísicos ainda acredita que a matéria escura existe. Fenômenos cósmicos como a rotação das galáxias não podem ser explicados pela física tradicional, a menos que esteja presente uma forma oculta de matéria.
10 Partícula Massiva Fracamente Interativa (WIMP)
Durante décadas, o candidato mais popular para a matéria escura tem sido a partícula massiva de interação fraca (WIMP). A partícula hipotética foi idealizada pela primeira vez na década de 1970 como uma expansão do Modelo Padrão tradicional da física de partículas. A teoria é que o cosmos está repleto de partículas invisíveis e com carga neutra que surgiram logo após o big bang.
A ideia de partículas invisíveis não é nada particularmente nova. Os cientistas já estão cientes da existência do neutrino – a partícula subatómica difícil de detetar que atravessa galáxias com uma massa ligeiramente acima de zero. Em comparação, acredita-se que os WIMPs sejam muito mais pesados e mais lentos, avançando pelo céu em aglomerados densos e estruturas intrincadas. Isto é, se eles existirem.
Apesar de uma grande variedade de experimentos, nenhuma das tentativas de encontrar WIMPs teve sucesso. Pensava-se originalmente que o LHC em Genebra seria capaz de esclarecer a sua existência. Mas quase uma década depois de sua inauguração, nenhuma evidência foi encontrada. Da mesma forma, os tanques altamente sensíveis de xenônio líquido enterrados nas profundezas de Dakota do Sul também não descobriram nada em sua busca. [1]
Com os cientistas continuamente falhando em detectar essas partículas diretamente, as hipóteses em torno dos WIMPs são agora colocadas em sérias dúvidas. Um astrofísico que escreveu para a revista Forbes comparou a busca persistente a um “bêbado procurando as chaves perdidas debaixo do poste de luz”.
Seria um descuido excluir totalmente os WIMPs. Mas parece que os cientistas terão de voltar à prancheta e considerar também teorias alternativas sobre a matéria escura.
9 Objeto Halo Astrofísico Compacto Massivo (MACHO)
Outra explicação menos exótica para a matéria escura é a existência de objetos halo compactos astrofísicos massivos (MACHOs). Estes incluem buracos negros , estrelas de nêutrons e anãs marrons – objetos estelares ultracompactos compostos de matéria regular. Os MACHOs não podem ser detectados usando métodos típicos porque emitem pouca ou nenhuma radiação.
Em vez disso, estes gigantes silenciosos são observados através do estudo da luz de estrelas distantes através de um processo conhecido como microlente. Devido à sua imensa massa, os MACHOs curvam e focam os raios de luz em torno de si, o que faz com que os raios pareçam mais brilhantes.
O nível de distorção depende da massa do MACHO. Ao observar a luz, os cientistas são capazes de calcular a quantidade de matéria oculta presente. No entanto, não foram encontrados MACHOs suficientes à espreita para explicar toda a matéria escura do universo. Como tal, a procura por outro candidato continua. [2]
8 Áxion
Prevê-se que os áxions sejam partículas de carga neutra e movimento lento, com uma massa cerca de um bilhão de vezes mais leve que um elétron. A sua interação com a luz e outras matérias é relativamente fraca, o que dá aos cosmólogos confiança no seu potencial para formar matéria escura. Mas também os torna incrivelmente difíceis de detectar.
Apenas áxions de uma faixa estreita de massas são capazes de constituir matéria escura. Se fossem muito mais leves ou mais pesados, as observações já teriam sido feitas. Esta janela limitada de possibilidade significa que a tarefa de decidir dentro ou fora da hipótese do áxion é relativamente simples quando comparada a outros candidatos.
A última tentativa de detectar áxions começou em abril de 2018, quando astrofísicos da Universidade de Washington lançaram seu Axion Dark Matter Experiment (ADMX). De acordo com a teoria, quando os áxions passam por um campo magnético , eles podem decair espontaneamente em dois fótons (pacotes individuais de luz).
Se os áxions da Via Láctea estiverem constantemente passando despercebidos pela Terra, então o ímã altamente poderoso do ADMX converteria alguns deles em fótons de micro-ondas. Um detector incrivelmente sensível está instalado para detectar quaisquer fótons produzidos, mas até agora nenhuma evidência foi relatada. [3]
7 Gravitino
A hipótese gravitino investiga profundamente os domínios da física teórica . Nas décadas de 1960 e 1970, os cientistas desenvolveram a teoria da supersimetria para explicar algumas das lacunas deixadas pelo Modelo Padrão da física de partículas.
A supersimetria prevê que para cada partícula no modelo padrão (por exemplo, elétron, fóton, Higgs), deveria haver uma contraparte teórica . Estas partículas parceiras partilham propriedades semelhantes às originais, exceto por algumas diferenças fundamentais no seu momento angular intrínseco.
Uma teoria separada prevê a existência do gráviton – uma partícula sem massa que medeia a força da gravidade, semelhante ao fóton que medeia o eletromagnetismo. Ligando essas duas teorias está o gravitino – o hipotético parceiro supersimétrico do gráviton que alguns físicos acreditam que poderia constituir a matéria escura. [4]
6 Partículas Kaluza-Klein
Diz-se que nosso universo é composto de quatro dimensões – três dimensões espaciais mais o tempo . No entanto, durante o último século, os cientistas ponderaram se poderiam existir mais.
Expandindo a teoria inovadora da relatividade geral de Einstein , os teóricos Theodor Kaluza e Oskar Klein previram uma quinta dimensão oculta arqueando-se através do universo. Publicado pela primeira vez em 1921, o seu modelo inclui um conjunto de partículas hipotéticas, a mais leve das quais é uma possível candidata à matéria escura.
Devido à sua natureza interativa, as partículas Kaluza-Klein (KK) estão entre apenas algumas candidatas que podem ser detectadas diretamente. Além disso, quando duas partículas KK se chocam, elas se aniquilam.
Na confusão, partículas como fótons e neutrinos são disparadas. Eles podem ser detectados devido aos seus padrões de energia distintos. O LHC de alta energia continua a procurar evidências de uma dimensão extra e de partículas KK. Mas até agora, nada foi relatado. [5]
5 Matéria escura difusa
A matéria escura difusa é relativamente nova na lista de candidatos à matéria escura. A teoria começou a ganhar força por volta da virada do século. Antes disso, apenas alguns grupos de físicos estavam interessados e, mesmo assim, mal se comunicavam entre si.
Como tal, a matéria escura difusa tem vários nomes diferentes, cada um apresentado independentemente por uma equipa de investigação diferente. Matéria escura de campo escalar, partícula ultraleve semelhante a um axion, matéria escura ondulatória, matéria escura fluida e matéria escura repulsiva são apenas alguns exemplos.
Apesar da infinidade de nomes, as teorias são praticamente as mesmas. Eles postulam que a matéria escura é formada por um imenso número de partículas minúsculas com massa excepcionalmente baixa. Em temperaturas incrivelmente baixas, as partículas se aglutinam para formar um tipo bizarro de matéria conhecido como condensado de Bose-Einstein . Na forma condensada, essas partículas quase não têm energia e se comportam como um corpo coeso.
As partículas individuais quase não têm efeitos no ambiente. Em massa, porém, eles podem distorcer os raios de luz interestelar. A quantidade de distorção depende da massa das partículas de matéria escura. Portanto, os cientistas são capazes de procurar matéria escura difusa examinando dados de arquivo de observatórios como o Very Long Baseline Array no Novo México. [6]
4 Matéria escura autointeragente
Uma das principais frustrações em torno da matéria escura é que ela se recusa a obedecer às previsões dos cientistas. De acordo com modelos gerados por computador, a substância deveria estruturar-se em algo conhecido como “distribuição de cúspides”. Esta teoria prevê que a matéria escura pode ser encontrada no coração de uma galáxia , parte dela concentrada numa esfera densa e o resto permanecendo como vapor.
Na realidade, os cosmólogos observaram que a matéria escura se comporta quase de maneira oposta: orbita em torno da borda de uma galáxia numa estrutura de halo distante. Isso foi chamado de “distribuição central”. A partir daí surge o problema do “núcleo da cúspide”. [7]
Para explicar as discrepâncias entre as cúspides e o núcleo, os cientistas criaram a teoria da matéria escura autointeragente. Este modelo propõe que, por ser tão misterioso e difícil de entender, as partículas de matéria escura interagem entre si através de forças que a física atualmente não consegue explicar.
No entanto, nem todos concordam com esta explicação. Outra teoria – o aquecimento da matéria escura – sugere que a matéria escura é impulsionada do centro de uma galáxia pela energia e pelo vento criados durante a formação das estrelas.
3 Neutrinos estéreis
A pesquisa de neutrinos é uma das áreas mais fascinantes da física contemporânea. Em 2015, Takaaki Kajita e Arthur B. McDonald receberam o Prêmio Nobel de Física por demonstrarem que os neutrinos mudam periodicamente de “sabor” em sua jornada pelo universo.
Atualmente, existem apenas três “ sabores ” conhecidos de neutrino – elétron, múon e tau. Todos eles são rápidos demais para formar matéria escura. No entanto, pesquisadores do Fermilab em Illinois estão buscando um quarto sabor e potencial candidato à matéria escura: o neutrino estéril.
Seu experimento MiniBooNE vasculha feixes intensos de partículas em busca do indescritível quarto sabor. O detector consiste em um grande tanque esférico cheio de mais de 800 toneladas de óleo mineral. Em 2018, o MiniBooNE produziu resultados promissores que sugerem a existência de neutrinos estéreis. [8] No entanto, os resultados da experiência MINOS+ relatados em 2019 contradizem o estudo de 2018. Obviamente, ainda não há consenso.
2 Fótons Escuros
Conforme discutido anteriormente, um fóton atua como uma única partícula de luz e medeia a força eletromagnética, uma das forças fundamentais da natureza. Para explicar o enigma da matéria escura, alguns especialistas propuseram a ideia de fótons escuros – hipotéticos mediadores de força semelhantes aos fótons regulares com massa extremamente baixa.
Na verdade, alguns investigadores acreditam que as ondas gravitacionais – ondulações celestes na estrutura do espaço e do tempo – podem ser a chave para descobrir estas partículas minúsculas. Se os fótons escuros estiverem rondando o universo, seus sinais distintos poderão ser captados por detectores de ondas gravitacionais altamente sensíveis, como o LIGO e o Virgo.
Enquanto os cientistas aguardam ansiosamente o lançamento da Antena Espacial de Interferômetro Laser (LISA) – o primeiro observatório de ondas gravitacionais baseado no espaço – parece que estamos um passo mais perto de finalmente localizar a matéria escura. [9]
1 A matéria escura não existe
Com o passar do tempo, a falta de evidências de qualquer um dos candidatos está fazendo com que alguns físicos se perguntem se não cometeram um erro . Talvez a matéria escura nem exista. Talvez haja outra explicação, afinal.
Um dos mais proeminentes céticos da matéria escura é o físico israelense Mordehai Milgrom, que propôs pela primeira vez sua teoria rival da Dinâmica Newtoniana Modificada (MOND) na década de 1980. Em seu artigo independente, Milgrom argumenta que a física tradicional apresentada por Isaac Newton começa a desmoronar em uma escala extremamente grande.
Se isto for verdade, altera completamente as ideias atuais sobre estrelas nos confins de uma galáxia. No MOND, a matéria escura não é necessária para explicar o seu movimento incomum. [10]
Então, a matéria escura é um enorme erro?
Esta não seria a primeira vez que os físicos cometeram um erro em tão grande escala. Durante o século XIX, havia uma crença generalizada de que o nosso universo estava repleto de uma substância invisível conhecida como éter luminífero.
Durante décadas, pensou-se que o éter era necessário para a propagação dos raios de luz. Então, a experiência crucial de Michelson-Morley de 1887 refutou essencialmente a sua existência. Em referência a isto, Milgrom descreveu a matéria escura como “o éter da nossa geração”.
Se a matéria escura existe e em que forma continua a ser um dos grandes mistérios da ciência moderna. Evidências futuras poderão mostrar que todas as teorias listadas aqui estão completamente erradas.
Por outro lado, poderíamos estar a um passo de um grande avanço. Com cada novo detector de matéria escura e cada resultado nulo, estamos mais perto de encontrar a verdade.
Leia mais ideias intrigantes sobre a matéria escura e a energia escura em 10 maneiras pelas quais a matéria escura poderia explicar o universo e as 10 principais teorias sobre a energia escura .
