Há Uma Nova Teoria Sobre Onde a Matéria Escura Está Escondida

Uma ideia derivada da teoria das cordas sugere que a matéria escura está escondida numa dimensão extra ainda não vista. Os cientistas estão correndo para testar a teoria e ver se ela se sustenta.

Na esfera da exploração cósmica, cientistas acreditam que a maior parte do que existe no universo está confinada a uma parte misteriosa e obscura. O material que podemos observar e interagir constitui apenas cerca de 5% do universo. O restante, cerca de 95%, é pensado ser composto por energia escura e matéria escura, elementos enigmáticos chamados de “escuros” em parte devido à nossa compreensão limitada sobre sua verdadeira natureza.

Embora não se espere que uma única teoria desvende todos os mistérios do universo, uma teoria proposta há dois anos, conhecida como o cenário da dimensão escura, pode iluminar várias questões significativas. Esta hipótese apresenta uma formulação única para a matéria escura e sugere uma conexão profunda entre matéria escura e energia escura. Ela também poderia fornecer insights sobre por que a gravidade, que molda o universo em suas escalas mais grandiosas, é notavelmente mais fraca que outras forças fundamentais.

Esta teoria propõe a existência de uma dimensão não observada dentro da complexa estrutura da teoria das cordas, que busca unir a mecânica quântica com a teoria da gravidade de Einstein. A teoria das cordas postula que, além das nossas conhecidas quatro dimensões — três dimensões espaciais e uma temporal — existem seis dimensões espaciais incrivelmente minúsculas.

Dentro deste cenário da dimensão escura proposto, uma dessas dimensões adicionais é substancialmente maior que suas contrapartes. Em vez de ser 100 milhões de trilhões de vezes menor que o diâmetro de um próton, esta dimensão abrange aproximadamente 1 mícron — uma medida minúscula pelos padrões convencionais, mas colossal em comparação com as outras dimensões extras.

Acredita-se que esta dimensão escura gere partículas maciças responsáveis pelas forças gravitacionais, constituindo a matéria escura, que se pensa compor cerca de 25% do universo e atuar como a força de ligação das galáxias. O restante, aproximadamente 70%, acredita-se ser energia escura, impulsionando a expansão do universo.

Ignatios Antoniadis, um físico da Universidade Sorbonne que pesquisa ativamente esse conceito, afirmou que este cenário cria ligações entre a teoria das cordas, a gravidade quântica, a física de partículas e a cosmologia, abordando vários mistérios relacionados.

Embora não haja evidências concretas para a existência da dimensão escura, a teoria faz previsões que podem ser testadas através de observações cosmológicas e experimentos laboratoriais, oferecendo o potencial para validação ou refutação empírica.

O físico Rajesh Gopakumar, diretor do Centro Internacional de Ciências Teóricas em Bengaluru, observou que o conceito da dimensão escura tem a vantagem de ser potencialmente refutável por meio de experimentos futuros mais precisos. 

A concepção do conceito de dimensão escura foi influenciada por um enigma de longa data sobre a constante cosmológica — um termo, simbolizado pela letra grega lambda, que Albert Einstein adicionou às suas equações gravitacionais em 1917 para representar um universo estático.

No entanto, descobertas nas décadas de 1920 e 1998 revelaram que o universo está se expandindo, e em um ritmo acelerado, devido ao que agora é conhecido como energia escura, também representada por lambda nas equações.

Cientistas têm lutado com o valor incrivelmente pequeno estimado de lambda, observado por Cumrun Vafa, um físico da Universidade de Harvard, como o menor parâmetro medido na física. Em 2022, Vafa, juntamente com os pesquisadores Miguel Montero e Irene Valenzuela, ponderou essa extrema pequenez no contexto da teoria das cordas e do trabalho anterior de Vafa.

Anteriormente, Vafa e outros desenvolveram uma hipótese, a conjectura da distância, explicando as implicações quando um parâmetro físico crucial atinge um valor extremo. Na teoria das cordas, valores-chave, como massas de partículas, lambda ou constantes de força de interação, não são fixos. Alterar um impacta os outros.

Dado o valor observado minúsculo de lambda, deveria haver partículas correspondentes leves e fracamente interativas ligadas ao valor de lambda. Vafa e sua equipe hipotetizaram que, para produzir essas partículas quando lambda está próximo de zero, uma das dimensões extras da teoria das cordas deve ser substancialmente maior que as demais — possivelmente detectável e mensurável. Isso levou à concepção da dimensão escura.

Para entender a origem dessas partículas leves hipotetizadas, precisamos olhar para trás, para o microssegundo inicial do Big Bang, um período dominado pela radiação. Na teoria da dimensão escura, uma nova família de partículas, não incluída no Modelo Padrão de física de partículas, poderia emergir das colisões dessas partículas de radiação.

Georges Obied, um físico da Universidade de Oxford e colaborador na teoria do gráviton escuro, explicou: “Há um gráviton sem massa, que é o gráviton usual que conhecemos, e então há infinitamente muitos grávitons escuros massivos.” As massas desses grávitons escuros são teoricamente um múltiplo de uma constante, M, ligada à constante cosmológica, formando uma “torre” diversa deles com diferentes massas e níveis de energia.

Para visualizar isso, imagine nosso mundo quadridimensional como a superfície de uma esfera, onde nós e todas as partículas do Modelo Padrão estamos confinados. No entanto, os grávitons podem atravessar todas as dimensões, incluindo a dimensão escura.

Vafa sugere imaginar cada ponto em nosso mundo quadridimensional conectado a um pequeno laço, representando a dimensão extra. Se duas partículas do Modelo Padrão colidirem, criando um gráviton, ele pode entrar neste laço extra-dimensional, comportando-se como uma onda. Estes grávitons produzem ondas de diferentes frequências na dimensão escura, correspondendo a diferentes níveis de energia e exercendo influência gravitacional significativa.

Vafa especulou que esses grávitons poderiam constituir a matéria escura, dada sua interação fraca, mas presença gravitacional significativa. Esses grávitons interagiriam apenas por meio da gravidade, escapando de outros métodos de detecção. Como a força da gravidade enfraquece com a distância, esses grávitons poderiam formar um halo em torno das galáxias, estabilizando-as sem a necessidade de matéria adicional.

A energia escura, por outro lado, permanece mais enigmática. No entanto, Vafa sugeriu que, à medida que o universo se expande, isso poderia esticar a dimensão escura, impactando o número e a natureza dos grávitons e influenciando as características da energia escura.

O cenário da dimensão escura se alinha com outros esforços de pesquisa, como aqueles que buscam detectar áxions, partículas hipotéticas propostas como candidatas a matéria escura. Além disso, embora não seja uma prova direta, os detectores de ondas gravitacionais LIGO e Virgo observaram fusões de buracos negros que poderiam envolver grávitons escuros.

A teoria da dimensão escura ainda está em sua infância, com muitas perguntas e desafios pela frente. Por exemplo, os cientistas devem determinar como incorporar essa dimensão no já complexo arcabouço da teoria das cordas.

Apesar desses desafios, a teoria da dimensão escura oferece um caminho promissor para responder a perguntas profundas sobre a composição e o comportamento do universo. Ela entrelaça vários campos da física, da mecânica quântica à cosmologia, potencialmente desvendando segredos da matéria escura, energia escura e a expansão do universo. Como acontece com qualquer teoria revolucionária, o caminho para a validação ou refutação reside na investigação científica rigorosa e na evidência empírica. 

Fonte: hypescience.com