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Em um estudo publicado hoje no Jornal de Cosmologia e Física de Astropartículas, pesquisadores da Universidade de Toronto revelam um avanço teórico que pode explicar tanto a natureza da matéria escura invisível quanto a estrutura em larga escala do universo conhecida como teia cósmica. O resultado estabelece um novo vínculo entre esses dois problemas antigos da astronomia, abrindo novas possibilidades para a compreensão do cosmos.
A pesquisa sugere que o “problema da aglomeração”, que se concentra na distribuição inesperadamente uniforme da matéria em grandes escalas em todo o cosmos, pode ser um sinal de que a matéria escura é composta de partículas ultraleves hipotéticas chamadas áxions. As implicações de provar a existência de axions difíceis de detectar vão além da compreensão da matéria escura e podem abordar questões fundamentais sobre a natureza do próprio universo.
“Se confirmado com futuras observações de telescópio e experimentos de laboratório, encontrar axion matéria escura seria uma das descobertas mais significativas deste século”, diz o principal autor Keir Rogers, Dunlap Fellow no Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics na Faculdade de Artes e Ciências da Universidade de Toronto. “Ao mesmo tempo, nossos resultados sugerem uma explicação de por que o universo é menos aglomerado do que pensávamos, uma observação que se tornou cada vez mais clara na última década e atualmente deixa nossa teoria do universo incerta”.
A matéria escura, compreendendo 85% da massa do universo, é invisível porque não interage com a luz. Os cientistas estudam seus efeitos gravitacionais na matéria visível para entender como ela é distribuída no universo.
Uma teoria importante propõe que a matéria escura é feita de áxions, descritos na mecânica quântica como “nebulosos” devido ao seu comportamento ondulatório. Ao contrário de partículas pontuais discretas, os axions podem ter comprimentos de onda maiores do que galáxias inteiras. Essa imprecisão influencia a formação e distribuição da matéria escura, potencialmente explicando por que o universo é menos aglomerado do que o previsto em um universo sem axions.
Essa falta de aglomeração foi observada em pesquisas de grandes galáxias, desafiando a outra teoria predominante de que a matéria escura consiste apenas em partículas subatômicas pesadas e fracamente interativas chamadas WIMPs.. Apesar de experimentos como o Grande Colisor de Hádrons, nenhuma evidência apoiando a existência de WIMPs foi encontrada.
“Na ciência, é quando as ideias se desintegram que novas descobertas são feitas e problemas antigos são resolvidos”, diz Rogers.
Para o estudo, a equipe de pesquisa – liderada por Rogers e incluindo membros do grupo de pesquisa do professor associado Renée Hložek no Dunlap Institute, bem como da Universidade da Pensilvânia, Instituto de Estudos Avançados, Universidade de Columbia e King’s College London – analisou observações da luz relíquia do Big Bang, conhecida como Cosmic Microwave Background (CMB), obtidas a partir dos levantamentos do Planck 2018, Atacama Cosmology Telescope e South Pole Telescope. Os pesquisadores compararam esses dados CMB com dados de agrupamento de galáxias do Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), que mapeia as posições de aproximadamente um milhão de galáxias no universo próximo. Ao estudar a distribuição das galáxias, que reflete o comportamento da matéria escura sob forças gravitacionais, eles mediram as flutuações na quantidade de matéria em todo o universo e confirmaram sua aglomeração reduzida em comparação com as previsões.
Os pesquisadores então conduziram simulações de computador para prever o aparecimento de luz relíquia e a distribuição de galáxias em um universo com longas ondas de matéria escura. Esses cálculos se alinharam com os dados CMB do Big Bang e dados de aglomeração de galáxias, apoiando a noção de que os axions difusos poderiam explicar o problema de aglomeração.
A pesquisa futura envolverá pesquisas em larga escala para mapear milhões de galáxias e fornecer medições precisas de aglomeração, incluindo observações ao longo da próxima década com o Observatório Rubin. Os pesquisadores esperam comparar sua teoria com observações diretas da matéria escura por meio de lentes gravitacionais, um efeito em que a aglomeração da matéria escura é medida pelo quanto ela desvia a luz de galáxias distantes, semelhante a uma lupa gigante. Eles também planejam investigar como as galáxias expelem gás para o espaço e como isso afeta a distribuição de matéria escura para confirmar ainda mais seus resultados.
Compreender a natureza da matéria escura é uma das questões fundamentais mais urgentes e a chave para entender a origem e o futuro do universo.
Atualmente, os cientistas não têm uma única teoria que explique simultaneamente a gravidade e a mecânica quântica – uma teoria de tudo. A teoria de tudo mais popular nas últimas décadas é a teoria das cordas, que postula outro nível abaixo do nível quântico, onde tudo é feito de excitações de energia semelhantes a cordas. De acordo com Rogers, a detecção de uma partícula fuzzy axion pode ser um indício de que a teoria das cordas de tudo está correta.
“Agora temos as ferramentas que podem nos permitir finalmente entender algo experimentalmente sobre o mistério centenário da matéria escura, mesmo na próxima década – e isso pode nos dar dicas para respostas sobre questões teóricas ainda maiores”, diz Rogers. “A esperança é que os elementos intrigantes do universo sejam solucionáveis.”
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