Após décadas de pesquisas, os físicos estão se aproximando da matéria escura?

O universo é composto de muito mais do que aparenta. Embora os telescópios revelem inúmeras galáxias, cada uma contendo milhares de milhões de estrelas, os físicos e astrónomos acreditam que a matéria visível é apenas a ponta do iceberg, por assim dizer, e que algum tipo de galáxia invisível matéria escura também deve estar lá fora, representando cerca de 85% da massa do universo. Ninguém sabe do que é feita a matéria escura, mas os cientistas estão confiantes de que é algo que não interage com a radiação eletromagnética, como a luz – caso contrário, seríamos capazes de vê-la. Mas décadas de pesquisas não conseguiram produzir qualquer deteção direta desta matéria escura, deixando os investigadores a questionarem-se se precisam de alargar as suas estratégias de pesquisa, ou talvez até de repensar como funciona a gravidade.

A defesa da existência de matéria escura remonta à década de 1930, quando os astrónomos analisaram as taxas de rotação das galáxias e descobriram que não havia matéria visível suficiente para explicar as taxas de rotação observadas. Esses chamados curvas de rotaçãoque traça a velocidade com que as estrelas se movem em função da distância ao centro de uma galáxia, não pôde ser contabilizado com base na quantidade de estrelas, gás e poeira visíveis dentro de cada galáxia.

Desde então, surgiram mais evidências do exame de aglomerados de galáxias. A forma de um aglomerado pode ser distorcida devido à influência gravitacional da matéria invisível entre a Terra e o aglomerado. Este efeito, conhecido como “lente gravitacional”, dá mais apoio à noção de matéria escura. Ocasionalmente, aglomerados de galáxias são observados colidindo uns com os outros; observações cuidadosas da dinâmica da colisão podem revelar a presença de matéria invisível acompanhando ambos os membros do par. Este efeito pode ser visto de forma mais dramática nos chamados Cluster de marcadoresum par de aglomerados de galáxias em colisão localizados a cerca de 3,7 bilhões de anos-luz da nossa Via Láctea, que parece mostrar o resultado de uma colisão aglomerado com aglomerado. Simulações computacionais da colisão sugerem que a matéria escura impulsionou o processo tanto quanto a matéria normal. Ainda outra linha de evidência vem de observações do fundo cósmico de microondasa radiação que sobrou do universo primitivo, que pode ser estudada com radiotelescópios. Esta radiação, que abrange todo o céu, mostra pontos “quentes” e “frios” – áreas de radiação mais intensa e menos intensa – que são difíceis de explicar sem invocar a ideia de matéria escura.

Por mais convincentes que tenham sido estas observações, são todas indiretas; os pesquisadores ainda gostariam de capturar partículas de matéria escura diretamente.

Nas últimas décadas, a principal teoria tem sido a de que a matéria escura é composta de “partículas massivas que interagem fracamente”, ou WIMPs—partículas elementares que se pensa terem sido criadas há cerca de 14 mil milhões de anos, na altura do Big Bang. Hoje, essas partículas estariam espalhadas por todo o universo, mas como interagem apenas fracamente com a matéria comum, são incrivelmente difíceis de detectar. E embora muitas experiências sofisticadas tenham sido pesquisando para os WIMPs, não foi encontrado nenhum vestígio definitivo – o que levou alguns cientistas a questionarem-se se a matéria escura pode ser constituída por algo completamente diferente.

“Acho que os WIMPs estão caindo em desuso”, diz Sean Tulin, físico teórico da Universidade York, em Toronto. Enquanto a busca por essas partículas elusivas continua, ele diz que muitos de seus colegas “estão muito felizes em explorar outras alternativas”.

Os cientistas estão agora a recorrer a uma gama mais ampla de estratégias de pesquisa – e a uma lista mais longa de potenciais candidatos à matéria escura – num esforço para desvendar o mistério de quase um século.

Embora nenhuma pesquisa laboratorial de matéria escura tenha sido bem-sucedida, os físicos conseguiram restringir a gama de massas que uma partícula de matéria escura pode ter. Em agosto, pesquisadores do LUX-ZEPLIN experimento, localizado no Centro de Pesquisa Subterrânea de Sanford, em Dakota do Sul, anunciaram que haviam descartado WIMPs com massas maiores que cerca de dez vezes a de um próton. Os resultados são cerca de cinco vezes mais sensíveis do que qualquer pesquisa WIMP anterior.

O resultado do LUX-ZEPLIN “é um belo tour de force técnico”, diz Tracy Slatyer, física teórica do Instituto de Tecnologia de Massachusetts. “É notável que eles tenham conseguido reduzir o limite até agora.”

Embora o resultado do LUX-ZEPLIN exclua WIMPs pesados, ainda é possível que WIMPs mais leves possam estar por aí. E embora experimentos mais sensíveis continuem a procurar WIMPs leves, eles inevitavelmente se depararão com um limite natural: eventualmente, tais experimentos seriam tão sensíveis que detectariam neutrinospartículas subatômicas quase sem massa criadas no núcleo do Sol e em outros ambientes astrofísicos de alta energia. Os pesquisadores referem-se a esse limite como “piso de neutrinos”.

“Eventualmente chegaremos ao ponto em que o fundo [signal] dos neutrinos, na verdade, inunda o sinal da matéria escura”, diz Miriam Diamond, física experimental da Universidade de Toronto. Quando os físicos chegarem a esse estágio, quaisquer partículas de matéria escura que possam ser detectadas serão perdidas em um mar de detecções de neutrinos.

À medida que os investigadores se aproximam cada vez mais deste piso de neutrinos, estão naturalmente a pensar noutros candidatos à matéria escura além dos WIMPs.

“Houve um ponto em que as pessoas tinham certeza de que [the dark matter particle] era o WIMP, e essa foi uma bela história”, diz Slatyer. “Mas acho que ninguém mais acredita que deva ser absolutamente o WIMP.”

Muitos outros potenciais candidatos à matéria escura foram apresentados, desde partículas exóticas conhecidas como eixos para buracos negros primordiaispara um novo tipo hipotético de neutrino conhecido como neutrino estéril. A matéria escura também pode ser composta por mais de um tipo de partícula, com os teóricos sugerindo a existência de um “setor escuro”, consistindo em vários tipos de partículas de matéria escura.

“Precisamos levar em conta a ideia de que o que chamamos de ‘matéria escura’ pode na verdade ser vários tipos de partículas de matéria escura”, diz Diamond. “É como Pokémon. Você tem que pegar todos eles.

Entre os candidatos não-WIMP, os axions podem ser os novos favoritos. Os áxions foram levantados pela primeira vez na década de 1970, quando os físicos estavam desenvolvendo o Modelo Padrão da física de partículas – a estrutura que descreve as partículas fundamentais conhecidas e suas interações. O áxion– se existir – resolveria certos enigmas envolvendo a força nuclear forte, que une os núcleos atômicos.

Assim como os WIMPs, acredita-se que os áxions tenham sido produzidos no início do universo. Com o tempo, eles se aglomerariam, com a crescente atração gravitacional desses aglomerados guiando a evolução das galáxias – como se acredita que a matéria escura faça. Mas acredita-se que os áxions sejam ainda mais leves que os WIMPs e, portanto, são igualmente esquivos e difíceis de detectar.

“Os áxions são produzidos naturalmente no universo primitivo com abundância suficiente para dar conta de toda a matéria escura atual”, diz Peter Graham, físico teórico da Universidade de Stanford. “O facto de serem muito mais leves do que os WIMPs significa apenas que a sua densidade numérica teria de ser muito maior, para que se pudesse ter a densidade de energia observada da matéria escura.”

Hoje, vários laboratórios estão pesquisando para áxions, mas sem resultados definitivos até o momento.

Enquanto os físicos procuram matéria escura em laboratório, os astrónomos têm as suas próprias estratégias para procurar evidências de matéria escura no espaço profundo. As suas observações sugerem que a maioria das galáxias, incluindo a nossa Via Láctea, estão rodeadas por “halos” de matéria escura – conchas esféricas de matéria escura que se estendem muito além da parte visível da galáxia. Embora estes halos sejam invisíveis, a matéria escura galáctica ainda pode ser estudada indiretamente. Uma nova geração de telescópios espaciais, por exemplo, procurará sinais de partículas de matéria escura colidindo umas com as outras; tais colisões produziriam explosões de radiação de alta energia que poderiam ser observadas com telescópios de raios gama. Outra estratégia é estudar faixas de estrelas em forma de fita, conhecidas como “fluxos estelares”Na vizinhança de nossa própria galáxia. Rastrear as posições e o movimento desses fluxos pode revelar como a matéria escura está distribuída na galáxia.

“Muitos físicos de partículas estão se tornando astrofísicos, porque é aí que estão muitos quebra-cabeças interessantes, relacionados à matéria escura, e também há muitos dados novos que chegarão”, diz Tulin. “Portanto, há um grande entusiasmo na comunidade astrofísica.”

Outra possibilidade – vista como um tiro no escuro – é que a matéria escura não existe de fato e, em vez disso, há algo sobre a gravidade que não entendemos muito bem. Nossa melhor teoria da gravidade é relatividade geraldesenvolvido por Albert Einstein há pouco mais de 100 anos; até agora, passou em todos os testes com louvor. Mas isso não impediu alguns teóricos de sugerir que deveria ser ajustado: talvez se as equações de Einstein fossem ligeiramente ajustadas, o problema da matéria escura simplesmente desapareceria. Sem WIMPs, sem áxions – apenas um ligeiro ajuste em algumas equações centenárias. Mas os físicos que estudaram as evidências da matéria escura dizem que não é tão simples. Embora uma teoria da gravidade modificada possa explicar as curvas de rotação galáctica, eles dizem que não há uma maneira simples de explicar os dados das observações dos aglomerados de galáxias, das lentes gravitacionais e da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, todos os quais apontam para a matéria escura invisível.

“Acho que modificar a gravidade é atraente porque parece mais simples do que postular todo um outro setor de partículas – mas acho que esse é realmente um argumento falso”, diz Tulin. “Os obstáculos que você precisa percorrer para ter o trabalho da gravidade modificado acabam sendo muito mais complicados do que apenas postular que o universo tem esse componente extra, que funciona muito bem para explicar muitas observações diferentes.”

Por enquanto, os físicos parecem estar entusiasmados com a precisão das experiências mais recentes – os WIMPs, os favoritos de longa data, ainda não foram descartados – e também frustrados pela falta de quaisquer resultados laboratoriais conclusivos, mesmo depois de décadas de pesquisas.

Para muitos astrónomos e físicos, compreender a matéria escura é o problema mais urgente que impulsiona a sua investigação. No mínimo, resolver o mistério da matéria escura lançaria luz sobre a física fundamental do universo, diz Slatyer. “Acho que seria uma grande conquista da curiosidade humana se conseguíssemos descobrir isso”, diz ela. “Obviamente eu preferiria que levasse sete anos do que 70 anos.”