Inexplicavelmente, a matéria escura ajuda o universo a brilhar mais do que deveria

Quando a sonda New Horizons alcançou a escuridão externa do Sistema Solar, passando por Plutão, seus instrumentos captaram algo estranho. Muito, muito fracamente, o espaço entre as estrelas estava brilhando com luz ótica. Isso em si não era inesperado; essa luz é chamada de fundo óptico cósmico, uma luminescência fraca de todas as fontes de luz do Universo fora de nossa galáxia.

A parte estranha era a quantidade de luz. Havia muito mais do que os cientistas pensavam que deveria haver – o dobro, na verdade.

Agora, em um novo artigo, os cientistas apresentam uma possível explicação para o excesso de luz óptica: um subproduto de uma interação indetectável da matéria escura.

“Os resultados deste trabalho fornece uma explicação potencial para o excesso de fundo óptico cósmico que é permitido por restrições observacionais independentes e que pode responder a uma das incógnitas de longa data na cosmologia: a natureza da matéria escura”, escreve a equipe de pesquisadores liderada pelo astrofísico José Luis Bernal, da Universidade Johns Hopkins

Temos muitas perguntas sobre o Universo, mas a matéria escura está entre as mais irritantes. É o nome que damos a uma massa misteriosa no Universo responsável por fornecer muito mais gravidade em pontos concentrados do que deveria haver.

As galáxias, por exemplo, giram mais rápido do que deveriam sob a gravidade gerada pela massa de matéria visível.

A curvatura do espaço-tempo em torno de objetos maciços é maior do que deveria ser se calculássemos a deformação do espaço com base apenas na quantidade de material brilhante. Mas o que quer que esteja criando esse efeito, não podemos detectá-lo diretamente. 

E tem muito disso. Cerca de 80% da matéria do Universo é matéria escura.

Existem algumas hipóteses sobre o que pode ser. Um dos candidatos é o axion, que pertence a uma classe hipotética de partículas conceituada pela primeira vez na década de 1970 para resolver a questão de por que forças atômicas fortes seguem algo chamado simetria de paridade de carga, quando a maioria dos modelos diz que não precisa.

Acontece que os áxions, em uma faixa de massa específica, também devem se comportar exatamente como esperamos que a matéria escura. E pode haver uma maneira de detectá-los, porque, teoricamente, espera-se que os axions decaiam em pares de fótons na presença de um forte campo magnético.

Vários experimentos estão procurando por fontes desses fótons, mas eles também devem estar fluindo pelo espaço em números excessivos.

A dificuldade está em separá-los de todas as outras fontes de luz do Universo, e é aí que entra o fundo óptico cósmico.

O fundo em si é muito difícil de detectar, pois é muito fraco. O Long Range Reconnaissance Imager (LORRI) a bordo do New Horizons é possivelmente a melhor ferramenta para o trabalho até agora. Está longe da Terra e do Sol, e o LORRI é muito mais sensível do que os instrumentos ligados às sondas Voyager mais distantes lançadas 40 anos antes.

Os cientistas presumiram que o excesso detectado pela New Horizons seja o produto atribuído a estrelas e galáxias que não podemos ver. O trabalho de Bernal e sua equipe foi avaliar se a matéria escura semelhante a um áxion poderia ser responsável pela luz extra.

Eles conduziram modelagem matemática e determinaram que os axions com massas entre 8 e 20 elétron-volts poderiam produzir o sinal observado sob certas condições.

Isso é incrivelmente leve para uma partícula, que tende a ser medida em megaeletronvolts, mas com estimativas recentes colocando o hipotético pedaço de matéria em uma fração de um único elétron-volt, esses números exigiriam que os axions fossem relativamente robustos.

É impossível dizer qual explicação está correta com base apenas nos dados atuais. No entanto, ao reduzir as massas dos áxions que poderiam ser responsáveis ​​pelo excesso, os pesquisadores lançaram as bases para futuras buscas por essas partículas enigmáticas.

“Se o excesso surgir do decaimento da matéria escura para uma linha de fótons, haverá um sinal significativo nas próximas medições de mapeamento de intensidade de linha”, escrevem os pesquisadores.

“Além disso, o instrumento ultravioleta a bordo da New Horizons (que terá melhor sensibilidade e sondará uma faixa diferente do espectro) e estudos futuros de atenuação de raios gama de energia muito alta também testarão essa hipótese e expandirão a busca por matéria escura para um gama mais ampla de frequências.”

A pesquisa foi publicada na Physical Review Letters.