Como partículas velozes viraram escuridão: Uma explicação surpreendente sobre a matéria escura

E se a matéria escura, essa força invisível que molda o universo, já foi luz pura? Uma nova teoria sugere que partículas superleves e cheias de energia, que existiam no início do universo, colidiram, esfriaram e se transformaram de repente em partículas pesadas e lentas, conhecidas como matéria escura 

Imagem via Freepic

Essa ideia não só explica essa transformação surpreendente, mas também pode ser testada com base em dados do fundo cósmico de micro-ondas, uma espécie de “eco? do Big Bang.

Uma Nova Ideia sobre o Nascimento da Matéria Escura:

Um estudo feito por um professor da Universidade de Dartmouth e um estudante de física e matemática propõe uma teoria diferente sobre a origem da matéria escura, uma substância misteriosa que os cientistas acreditam dar forma e estrutura ao universo.

Publicado na revista Physical Review Letters, o estudo diz que a matéria escura pode ter surgido logo após o Big Bang, quando partículas superleves e muito rápidas colidiram e, ao se juntarem, perderam energia e ganharam muito peso, segundo cálculos matemáticos.

A matéria escura é algo que não vemos, mas sabemos que existe por causa de seus efeitos gravitacionais, que não podem ser explicados pela matéria visível, como estrelas e planetas. Estima-se que 85% da massa total do universo seja matéria escura.

O que torna essa teoria especial é que ela pode ser testada com dados que já temos. As partículas lentas e pesadas que formariam a matéria escura deixariam uma marca única no fundo cósmico de micro-ondas, que é como uma fotografia do universo bebê.

De Luz para Bolos Pesados

“A matéria escura começou como partículas quase sem massa, parecidas com a luz”, explica Robert Caldwell, professor de física e astronomia e autor principal do estudo. “Isso é o oposto do que pensamos sobre a matéria escura hoje, que são pedaços pesados e frios que dão massa às galáxias. Nossa teoria tenta explicar como ela passou de ser luz para virar esses “bolos? pesados.”

Guanming Liang, estudante e primeiro autor do estudo, diz: “Nosso modelo matemático é bem simples e elegante. Não precisamos adicionar muitas coisas complicadas para que ele funcione.”

Caos no Início do Universo

Logo após o Big Bang, há 13,7 bilhões de anos, o universo era cheio de partículas quentes e rápidas, parecidas com fótons, que são as partículas da luz. Caldwell e Liang acreditam que, nesse caos, bilhões dessas partículas se juntaram. 

Eles sugerem que essas partículas, que não tinham massa, foram atraídas umas pelas outras por causa de uma propriedade chamada “spin? (como se fosse uma rotação), semelhante à atração entre polos opostos de ímãs.

Quando essas partículas esfriaram, o equilíbrio entre seus spins mudou, fazendo com que a energia delas despencasse, como vapor virando água de repente. O resultado foram partículas frias e pesadas, que seriam a matéria escura que conhecemos hoje.

A Queda de Energia que Mudou Tudo

“A parte mais surpreendente do nosso modelo foi essa queda brusca de energia, que conecta o estado superenergético do início do universo com a matéria escura pesada de hoje”, diz Liang, que trabalha com Caldwell em sua pesquisa de graduação. “Essa mudança explica por que temos tanta matéria escura no universo hoje. Ela veio de um grupo de partículas muito energéticas que existiam no universo jovem.”

Uma Partícula Inspirada em Supercondutores:

A teoria propõe uma partícula teórica que teria desencadeado essa transformação em matéria escura. Algo parecido já acontece com elétrons, que formam pares chamados “pares de Cooper? em temperaturas muito baixas. Esses pares conseguem conduzir eletricidade sem resistência, o que é usado em supercondutores. Caldwell e Liang usaram essa ideia como prova de que as partículas leves do início do universo poderiam ter se transformado em matéria escura.

De Café Forte a Mingau Frio

Essa transformação, de partículas superenergéticas (como um café bem forte) para algo lento e pesado (como um mingau frio), explica por que o universo hoje tem muito menos energia do que no início, quando tudo estava se expandindo. A teoria de Caldwell e Liang também explica como a massa do universo aumentou, já que a matéria escura é responsável por grande parte dessa massa.

Procurando Pistas no Fundo Cósmico:

A teoria sugere que essas partículas, ao ficarem lentas e pesadas, entraram em um estado frio e quase sem pressão, o que deixaria uma marca detectável no fundo cósmico de micro-ondas. Esse fundo já é estudado por projetos como o Observatório Simons, no Chile, e outros experimentos. Dados desses projetos podem ajudar a confirmar ou descartar a teoria de Caldwell e Liang.

“É emocionante”, diz Caldwell. “Estamos apresentando uma nova forma de pensar e, quem sabe, identificar a matéria escura.”

A Ideia que Começou com um Artigo e uma Aula

A teoria nasceu quando Liang leu um artigo sobre pares de Cooper e seu impacto no universo jovem. Ele entrou em contato com os autores do artigo e perguntou se eles haviam testado o modelo em temperaturas diferentes de zero. Eles não tinham. Ao mesmo tempo, Liang estava em uma aula de física do estado sólido, onde aprendeu uma ferramenta matemática que o ajudou avançando a ideia. 

“Eu e o professor Caldwell aplicamos a matemática e vimos o que acontecia”, conta Liang. “Ela contou a história toda. Mostrou a evolução rica dessas partículas, desde as altas temperaturas do universo jovem até as temperaturas mais baixas de hoje.”

Essa teoria simples e elegante pode mudar o que sabemos sobre a matéria escura e nos ajudar a entender melhor o universo!

Terra Rara