Cientistas da Universidade de Minnesota Twin Cities e da Université Paris-Saclay estão questionando uma ideia há muito estabelecida sobre a matéria escura. Suas últimas descobertas sugerem que essa substância elusiva pode ter sido “incrivelmente quente” — movendo-se quase à velocidade da luz — quando se formou, em vez de fria e lenta, como pesquisadores assumiram por muito tempo.
O trabalho foi publicado na Physical Review Letters, o periódico principal da American Physical Society. Ao reexaminar como a matéria escura pode ter emergido no início do Universo, 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 Suposição da Matéria Escura Fria
Durante décadas, os cientistas acreditaram que a matéria escura precisava ser fria quando se separou da intensa radiação que preenchia o jovem Universo, um processo conhecido como “freezing out”. A matéria escura fria se move lentamente, uma propriedade considerada essencial para a formação de galáxias e estruturas cósmicas em larga escala. Para revisar essa suposição, a equipe de pesquisa concentrou-se em uma fase crítica, mas menos explorada, da história cósmica chamada reheating pós-inflacionário.
Durante o reheating, o Universo estava rapidamente se preenchendo com partículas após o fim da inflação cósmica. Os pesquisadores examinaram como a matéria escura poderia ter sido produzida durante esse período energético e o que isso significaria para seu comportamento posterior.
Por que a Matéria Escura Quente Foi Rejeitada
“O candidato de matéria escura mais simples (um neutrino de baixa massa) foi descartado há mais de 40 anos, pois teria eliminado estruturas de tamanho galáctico em vez de sementes,” disse Keith Olive, professor na Escola de Física e Astronomia. “O neutrino se tornou o exemplo principal da matéria escura quente, onde a formação de estruturas depende da matéria escura fria. É impressionante que um candidato semelhante, se produzido exatamente quando o Universo da Grande Explosão estava sendo criado, poderia ter esfriado a ponto de agir realmente como matéria escura fria.”
No passado, partículas de alta velocidade, como os neutrinos, foram descartadas porque suas altas velocidades teriam alisado a matéria no início do Universo, impedindo a formação de galáxias. Isso fez da matéria escura fria a explicação preferida por décadas.
Esfriando a Tempo para Construir Galáxias
O novo estudo mostra que a matéria escura não precisa necessariamente começar fria. Os pesquisadores demonstraram que partículas de matéria escura poderiam se separar de outra matéria enquanto ainda estavam ultrarelativísticas — ou extremamente quentes — e ainda desacelerar o suficiente antes que as galáxias começassem a se formar. A razão pela qual isso funciona está diretamente ligada ao reheating, que fornece tempo suficiente para que as partículas esfriem à medida que o Universo se expande.
“A matéria escura é famosa por ser enigmática. Uma das poucas coisas que sabemos sobre ela é que precisa ser fria,” disse Stephen Henrich, estudante de pós-graduação na Escola de Física e Astronomia e autor principal do artigo. “Como resultado, nas últimas quatro décadas, a maioria dos pesquisadores acreditou que a matéria escura deve ser fria quando nasce no universo primordial. Nossos resultados recentes mostram que isso não é o caso; de fato, a matéria escura pode estar vermelha de quente quando nasce, mas ainda ter tempo para esfriar antes que as galáxias comecem a se formar.”
Perspectivas para Detecção e o Início do Universo
A equipe planeja ampliar esses resultados explorando como tais partículas de matéria escura poderiam ser detectadas. Abordagens possíveis incluem buscas diretas usando colisores de partículas ou experimentos de difração, bem como detecção indireta por meio de observações astronômicas.
“Com nossas novas descobertas, podemos acessar um período na história do Universo muito próximo do Big Bang,” disse Yann Mambrini, professor da Université Paris-Saclay na França e co-autor do artigo.
A pesquisa foi apoiada por financiamento do programa de pesquisa e inovação Horizonte 2020 da União Europeia, sob o acordo de subsídio Marie Sklodowska-Curie.
