A matéria escura sempre foi um dos grandes mistérios da astronomia. Não pode ser visto ou tocado, mas a sua influência gravitacional ajuda a moldar a estrutura em grande escala das galáxias e do universo. Durante décadas, os cientistas confiaram no modelo da “matéria escura fria” para explicar como as galáxias se formam e evoluem. Mas à medida que os telescópios e as observações se tornaram mais precisos, os investigadores descobriram uma série de características surpreendentes que o modelo padrão tem dificuldade em explicar.
Entre os maiores mistérios estão a densidade surpreendentemente baixa de matéria escura encontrada nos centros de algumas galáxias anãs e os aglomerados inesperadamente densos de matéria escura inferidos de fortes lentes gravitacionais. Embora estas observações pareçam apontar em direcções opostas, um novo estudo sugere que podem partilhar a mesma explicação subjacente.
Uma nova teoria para a matéria escura
Físicos do Observatório da Montanha Púrpura da Academia Chinesa de Ciências (CAS) propõem que a matéria escura pode não consistir em um único tipo de partícula. Em vez disso, pode ser composto de partículas com massas diferentes.
Seu novo modelo de “matéria escura autointeragente de dois componentes” contém pelo menos dois tipos de partículas de matéria escura, uma pesada e uma leve. Além de interagirem por meio da gravidade, essas partículas podem colidir diretamente umas com as outras. Essas interações levam a um processo denominado “segregação em massa”.
Simplificando, as partículas pesadas de matéria escura derivam lentamente em direção aos centros das galáxias, enquanto as partículas mais leves se espalham para fora ao longo do tempo. Os investigadores comparam este comportamento ao de um enxame estelar, onde as estrelas de maior massa migram gradualmente para dentro e as estrelas de menor massa afastam-se do centro.
Simulações correspondem a observações cósmicas
Usando simulações computacionais de alta resolução combinadas com modelagem teórica detalhada, a equipe descobriu que a separação de massa reproduz naturalmente uma ampla gama de observações astronômicas.
Nas galáxias anãs, o processo produz núcleos de matéria escura com densidades centrais relativamente baixas, consistente com observações recentes de agrupamento de galáxias. Em ambientes maiores e mais complexos, alguns halos de matéria escura tornam-se cada vez mais compactos, formando estruturas densas capazes de produzir fortes lentes gravitacionais.
O modelo também levanta a possibilidade de eventos de lentes gravitacionais em pequena escala. À medida que partículas mais pesadas de matéria escura se acumulam na região central, as subestruturas de matéria escura tornam-se mais eficientes na amplificação da luz de galáxias distantes de fundo. Isto pode ajudar a explicar porque é que os astrónomos observam eventos de lentes mais fortes numa escala menor do que os modelos tradicionais prevêem.
Uma rica imagem do universo invisível
Os pesquisadores dizem que esses quebra-cabeças cósmicos aparentemente contraditórios podem, na verdade, apontar para a mesma conclusão. Em vez de exigirem explicações separadas, todas elas podem reflectir o facto de que a matéria escura tem propriedades intrínsecas mais complexas do que se pensava anteriormente.
À medida que futuras pesquisas do céu e observações de lentes gravitacionais se tornarem mais precisas, os cientistas terão novas oportunidades para testar se a matéria escura é de facto composta por múltiplos componentes. Estas “lupas cósmicas” naturais podem ainda fornecer algumas das evidências mais fortes desta nova imagem do universo invisível.
Os resultados são o segundo estudo da equipe do Observatório da Montanha Roxa a explorar os dois componentes da própria matéria escura em interação. Seu trabalho anterior foi publicado Exame físico dexaminou como a segregação de massa afeta a ampla gama de densidades do núcleo de matéria escura observadas em galáxias anãs. Nova pesquisa é publicada Boletim Científico. Os autores do estudo são Daneng Yang, Yi-Zhong Fan, Siyuan Hou e Yu-Lin Sming Tsai.
O Observatório da Montanha Púrpura, parte da Academia Chinesa de Ciências, é um dos principais centros de investigação da matéria escura da China. O instituto desempenha um papel importante na detecção indireta de matéria escura com o satélite DAMPE (Wukong) e conduz pesquisas influentes em astrofísica, cosmologia, matéria escura e evolução de galáxias.
