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Pela primeira vez, físicos delimitam a possível massa da matéria escura

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02 de Fevereiro de 2021
A galáxia do Sombreiro é o objeto perfeito para testar o cálculo de velocidade de rotação de uma galáxia.
Créditos: NASA/Hubble Heritage/STScI/AURA

Podemos não saber o que é matéria escura, mas os cientistas agora têm uma ideia melhor do que procurar. Com base na gravidade quântica, os físicos desenvolveram novos e muito mais rígidos limites de massa superior e inferior das partículas de matéria escura. E eles descobriram que a faixa de massa é muito mais limitada do que se pensava anteriormente.

Os candidatos à matéria escura que são extremamente leves ou pesados provavelmente não serão a resposta, com base em nossa compreensão atual do universo. “Esta é a primeira vez que alguém pensou em usar o que sabemos sobre a gravidade quântica como uma forma de calcular o intervalo de massa da matéria escura. Ficamos surpresos quando percebemos que ninguém tinha feito isso antes – assim como os colegas cientistas que estavam revisando nosso estudo”, disse o físico e astrônomo Xavier Calmet, da Universidade de Sussex, no Reino Unido. 

“Nosso estudo mostra que a matéria escura não pode ser ‘ultraleve’ nem ‘superpesada’, como alguns teorizam – a menos que haja uma força adicional ainda desconhecida agindo sobre ela. Essa pesquisa ajuda os físicos de duas formas: ela focaliza a área de pesquisa de matéria escura e também pode auxiliar a revelar se há ou não uma força adicional desconhecida e misteriosa no universo.” 

A matéria escura é inegavelmente um dos maiores mistérios do universo como o conhecemos. É o nome que damos a uma massa misteriosa responsável por efeitos gravitacionais que não podem ser explicados pelas coisas que podemos detectar por outros meios – a matéria normal, como estrelas, poeira e galáxias. Por exemplo, as galáxias giram muito mais rápido do que deveriam se estivessem sendo apenas influenciadas gravitacionalmente pela matéria normal nelas. As lentes gravitacionais – a curvatura do espaço-tempo em torno de objetos massivos – são muito mais fortes do que deveriam ser. 

O que quer que esteja criando essa gravidade adicional está além de nossa capacidade de detectar diretamente. Sabemos dela apenas pelo efeito gravitacional que exerce sobre outros objetos. Com base nesse efeito, sabemos que há muito dela por aí. Aproximadamente 80% de toda a matéria no universo é matéria escura. No entanto, sabemos que a matéria escura interage com a gravidade, então Calmet e seu colega, o físico e astrônomo Folkert Kuipers, da Universidade de Sussex, se voltaram para as qualidades da gravidade quântica para tentar estimar a faixa de massa de uma partícula de matéria escura hipotética.


Matéria escura, ilustração conceitual. A imagem representa uma região do espaço com algumas centenas de megaparsecs. A matéria escura é uma forma de matéria que não pode ser detectada por telescópios, pois não emite radiação.
Fonte: Mark 
Garlick/
science

As partículas de matéria escura teriam que obedecer às regras gravitacionais quânticas sobre como as partículas se quebram ou interagem. Ao contabilizar cuidadosamente todos esses limites, eles foram capazes de descartar faixas de massa improváveis de existir sob nosso conhecimento atual da física. Com base na suposição de que apenas a gravidade pode interagir com a matéria escura, eles determinaram que a massa da partícula deveria estar entre 10^-3 elétronvolts e 10^7 elétronvolts, dependendo dos spins das partículas e da natureza das interações da matéria escura. 

"Isso é insanamente menor do que a faixa de 10^-24 elétronvolt a 10^19 gigaelétronvolt tradicionalmente atribuída", disseram os pesquisadores. E isso é importante, porque em grande parte exclui alguns candidatos, como WIMPs (partículas massivas de interação fraca). Se esses candidatos vierem a ser os responsáveis por trás do mistério da matéria escura, de acordo com Calmet e Kuipers, isso significaria que estão sendo influenciados por alguma força que ainda não conhecemos. Isso apontaria para uma nova física – uma nova ferramenta para analisar e compreender nosso universo. 

Acima de tudo, as restrições da equipe fornecem um novo quadro a ser considerado na busca por matéria escura, ajudando a restringir onde e como olhar. “Como estudante de doutorado, é ótimo poder trabalhar em uma pesquisa tão empolgante e impactante como esta”, disse Kuipers“Nossas descobertas são uma notícia muito boa para os experimentalistas, pois os ajudará a chegar mais perto de descobrir a verdadeira natureza da matéria escura”.

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