Investigando o impacto da matéria escura ultraleve em sinais de ondas gravitacionais

Um estudo recente investigou como a matéria escura ultraligeira pode afetar as ondas gravitacionais, aquelas ondulações no espaço que ocorrem quando objetos massivos, como buracos negros, se movem no Universo.

Binário de razão de massa extrema em espiral em um ambiente de matéria escura. O movimento de pequenos buracos negros cria uma densa trilha de esteira que o desacelera, afetando o sinal da onda gravitacional. Crédito: Beatriz Oliveira e Rodrigo Vicente. 

Essas mudanças podem ser detectadas por instrumentos futuramente, como o LISA, um detector especial de ondas gravitacionais que a Agência Espacial Europeia pretende lançar em 2035.

Os cientistas estudam várias formas de matéria escura, porque, até agora, não sabem exatamente do que ela é feita. Uma dessas formas é a chamada “matéria escura ultraligeira”, que é muito, muito mais leve que um elétron, e pode se apresentar de diferentes jeitos, como a “matéria escura embaçada” ou as “nuvens de bósons”.

O Que É Matéria Escura Ultraligeira”

A matéria escura ultraligeira é feita de partículas com massa muito pequena, que formam um campo escalar, algo parecido com como a temperatura se distribui pelo ar de um quarto. Essa matéria tem um comportamento estranho: em vez de formar aglomerados, como outros tipos de matéria escura, ela age de forma ondulatória. Essas ondas podem influenciar o modo como as galáxias se comportam.

Existem duas formas principais de matéria escura ultraligeira: a “matéria escura embaçada”, que não forma aglomerados, e as “nuvens de bósons”, que podem crescer ao redor de buracos negros girando, absorvendo parte da energia deles. Isso é chamado de super-radiância.

O Que Isso Tem a Ver com Ondas Gravitacionais”

Neste estudo, os cientistas focaram nos “EMRIs” (sigla em inglês para “inspirais de razão de massa extrema”). São sistemas que têm um buraco negro supermassivo (muito grande) e um objeto menor, como uma estrela ou outro buraco negro, que gira em espiral até se fundir com o buraco negro maior.

Enquanto o objeto menor gira em espiral em direção ao buraco negro supermassivo, ele emite ondas gravitacionais. Se houver matéria escura ultraligeira nesses sistemas, ela pode modificar o formato dessas ondas.

O Que os Cientistas Descobriram”

Os cientistas usaram um modelo que leva em conta os efeitos da relatividade (uma teoria que explica como as coisas funcionam em ambientes com gravidade extrema ou em alta velocidade, próxima à velocidade da luz). Eles descobriram que quando o objeto menor passa pela matéria escura, ele cria um “rastro denso”, como a onda que um nadador faz na piscina. Esse rastro gera uma força extra de atração que desacelera o objeto menor e muda o sinal das ondas gravitacionais.

Além disso, perceberam que em algumas situações, a perda de energia causada pela matéria escura pode ser maior do que a própria emissão de ondas gravitacionais. 

Como o LISA Vai Ajudar”

O LISA vai ser capaz de detectar essas mudanças nos sinais das ondas gravitacionais. Ele será sensível o suficiente para perceber pequenas alterações nas ondas ao longo de semanas, meses ou até anos, enquanto acompanha o movimento dos objetos. Isso pode ajudar a provar se a matéria escura ultraligeira realmente existe.

Se não encontrarem essas mudanças, os dados do LISA ainda podem ser úteis para limitar onde e como a matéria escura ultraligeira pode estar no Universo.

E o Que Vem Depois”

Os cientistas também querem estudar como outros ambientes podem afetar as ondas gravitacionais, como discos ao redor de buracos negros em galáxias ativas, onde há muita matéria escura. Esses estudos vão ajudar a entender melhor o papel da matéria escura na formação das galáxias e do Universo.

Fonte: phys.org