Cientistas da Universidade de Minnesota Twin Cities e da Université Paris-Saclay estão questionando noções de longa data sobre 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 já supunham há muito tempo.
A obra foi publicada Carta de revisão físicaJornal emblemático da American Physical Society. Ao repensar como a matéria escura pode ter surgido no Universo primitivo, a investigação expande o leque de explicações possíveis sobre a origem da matéria escura e como pode interagir com outros tipos de matéria.
Desafiando a hipótese da matéria escura e fria
Durante décadas, os cientistas acreditaram que a matéria escura devia ter arrefecido à medida que se separava da intensa radiação que enchia o jovem Universo, um processo conhecido como congelamento. A matéria escura fria move-se lentamente, uma propriedade considerada essencial para a formação de galáxias e estruturas cósmicas de grande escala. Para rever esta hipótese, a equipa de investigação concentrou-se numa fase crítica mas pouco explorada da história cósmica chamada reaquecimento pós-inflacionário.
Durante o reaquecimento, o universo foi enchendo-se rapidamente de partículas após o fim da inflação cósmica. Os investigadores examinaram como a matéria escura se pode formar durante este período energético e o que isso significa para o seu comportamento subsequente.
Por que a matéria escura quente já foi rejeitada
“O candidato mais simples à matéria escura (um neutrino de baixa massa) foi descartado há mais de 40 anos porque teria destruído, em vez de semeado, estruturas de tamanho galáctico,” disse Keith Olive, professor da Escola de Física e Astronomia. “O neutrino tornou-se o principal exemplo de matéria escura quente, cuja composição depende da matéria escura fria. É surpreendente que um candidato semelhante, se produzido tal como o universo quente do Big Bang foi criado, pudesse arrefecer até ao ponto em que realmente agiria como matéria escura fria.”
No passado, partículas em movimento rápido como os neutrinos foram descartadas porque as suas altas velocidades teriam suavizado a matéria no Universo primitivo, impedindo a formação de galáxias. Isto fez da matéria escura e fria a explicação preferida durante décadas.
Resfriamento durante a formação de galáxias
O novo estudo mostra que a matéria escura não precisa necessariamente de uma partida a frio. Os pesquisadores mostraram que as partículas de matéria escura podem se separar de outras matérias enquanto ainda são superrelativísticas – ou extremamente quentes – e desacelerar o suficiente antes que as galáxias comecem a se formar. 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 misteriosa. Uma das poucas coisas que sabemos sobre ela é que precisa de ser fria,” disse Stephen Heinrich, estudante graduado na Escola de Física e Astronomia e principal autor do artigo. “Como resultado, durante as últimas quatro décadas, a maioria dos investigadores acreditou que a matéria escura deve ter arrefecido quando nasceu no universo primordial. Os nossos resultados recentes mostram que este não é o caso; na verdade, a matéria escura pode estar em brasa no nascimento, mas tem tempo para arrefecer antes de começar a formar galáxias.”
Detecção e observação do universo primitivo
A equipa planeia desenvolver estas descobertas explorando como essas partículas de matéria escura podem ser detectadas. Abordagens possíveis incluem detecção direta usando colisão de partículas ou experimentos de dispersão, bem como detecção indireta através de observações astronômicas.
“Com as nossas novas descobertas, poderemos conseguir aceder a um período da história do Universo muito próximo do Big Bang”, disse Ian Mambrini, professor da Université Paris-Saclay, em França, e co-autor do artigo.
A investigação foi apoiada por financiamento do programa de investigação e inovação Horizonte 2020 da União Europeia, ao abrigo do acordo de subvenção Marie Sklodowska-Curie.
