O Modelo Padrão da física de partículas explica bem as interações entre os blocos básicos de construção da matéria. Mas não é perfeito. Ele se esforça para explicar a matéria escura. A matéria escura constitui a maior parte da matéria do Universo, mas não sabemos o que é.
O Modelo Padrão diz que qualquer que seja a matéria escura, ela não pode interagir consigo mesma. Novas pesquisas podem ter mudado isso.
Os físicos propõem muitos candidatos diferentes para a matéria escura, incluindo fótons escuros, partículas massivas de interação fraca (WIMPs), buracos negros primordiais e muito mais. Cada um é intrigante à sua maneira, mas não há confirmação de nenhum deles. E cada um é uma parte proposta do Modelo Padrão.
Uma nova pesquisa publicada na revista Astronomy and Astrophysics sugere que podemos estar latindo para a árvore errada. Isso sugere que outro modelo, denominado Matéria escura autointeragente modelo, pode explicar a matéria escura enquanto o Modelo Padrão e seu Lambda Matéria Escura Fria (Lambda CDM) simplesmente não pode.
O papel é “Um estudo de simulação de N-corpos/hidrodinâmica do aglomerado em fusão El Gordo: Um caso convincente para matéria escura autointeragente?” O autor principal é Riccardo Valdarnini da SISSA (Escola Internacional de Estudos Avançados) Grupo de Astrofísica e Cosmologia.
El Gordo é um aglomerado de galáxias extremamente massivo e extremamente distante, a mais de sete bilhões de anos-luz de distância da Terra. É composto por dois subaglomerados de galáxias que colidem um com o outro a vários milhões de quilômetros por hora. Está no centro de uma discussão sobre a matéria escura e o Lambda CDM.
A artigo de 2021 afirmou que El Gordo representa um desafio para o modelo Lambda-CDM porque apareceu muito cedo na história cósmica, é extremamente massivo e tem uma velocidade de colisão muito alta. “Uma colisão tão rápida entre aglomerados massivos individualmente raros é inesperada na cosmologia da matéria escura fria Lambda em z tão alto”, escreveram os autores desse artigo.
A artigo posterior de 2021 chegou a uma estimativa de massa mais baixa para El Gordo, consistente com o Lambda CDM. “Essa massa extrema de El Gordo estimulou uma série de discussões sobre se a presença do cluster está ou não em tensão com o paradigma Lambda MDL”, escreveram esses autores. “A nova massa é compatível com a atual cosmologia Lambda CDM.”
Uma parte fundamental do Lambda CDM é que a matéria escura é fria e sem colisões. Nesse modelo, é impossível que as partículas de matéria escura colidam umas com as outras; eles só podem interagir através da gravidade e possivelmente do força fraca. Este estudo desafia essa noção.
Provar que a matéria escura pode interagir consigo mesma através de colisões é difícil e complicado. El Gordo é um bom lugar para estudar a ideia da matéria escura auto-interativa (SIDM). “Existem, no entanto, singulares
laboratórios que podem ser muito úteis para este propósito, a muitos anos-luz de distância de nós”, disse o autor principal Valdarnini. “Estes são os enormes aglomerados de galáxias, estruturas cósmicas gigantescas que, após a colisão, determinam os eventos mais energéticos desde o Big Bang.” El Gordo é um deles.
Aglomerados de galáxias como El Gordo podem ser divididos em três componentes: as galáxias, a matéria escura e a massa de gás. O Modelo Padrão diz que o gás em colisão perde parte de sua energia inicial durante a colisão. “É por isso que, após a colisão, o pico de densidade de massa do gás ficará atrás dos da matéria escura e das galáxias”, explicou Valdarnini.
Mas o SIDM diz algo diferente. Diz que os pontos onde a matéria escura atinge sua densidade máxima, chamados centróides, devem ser fisicamente separados dos demais componentes de massa. As peculiaridades dessa separação são uma assinatura do SIDM.
As observações de El Gordo mostram que ele consiste em dois grandes subaglomerados, o noroeste (NW) e o sudeste (SE), que estão se fundindo em um só.
As imagens de raios X mostram diferentes localizações de pico para os diferentes componentes de massa. A imagem de raios X abaixo mostra um único pico de emissão de raios X no subaglomerado SE e duas caudas fracas alongadas além do pico de raios X. O pico de raios X precede o pico da matéria escura. O aglomerado de galáxias mais brilhante (BCG) também está deslocado do centróide de massa SE. BCGs são as galáxias mais brilhantes em um determinado aglomerado, são extremamente massivas e são centros de massa em aglomerados.
“Outro aspecto notável pode ser visto no aglomerado NW, onde o pico de densidade numérica da galáxia é espacialmente deslocado do pico de massa correspondente”, explicou Valdarnini.
Mas essas observações por si só não são suficientes. No novo artigo em Astronomia e Astrofísica, Valdarnini empregou um grande número de simulações hidrodinâmicas/de N-corpos para estudar as propriedades físicas de El Gordo. As simulações sistemáticas visam combinar as observações. Cada simulação tem parâmetros ligeiramente diferentes e, quando uma simulação corresponde às observações, esses parâmetros provavelmente oferecem alguma explicação das observações.
Valdarnini explica isso claramente no artigo. “… o objetivo deste artigo é determinar se é possível construir modelos de fusão para o aglomerado de El Gordo que possam reproduzir consistentemente a morfologia de raios X observada, bem como muitas de suas propriedades físicas.”
A parte crítica deste trabalho e das suas simulações diz respeito às separações entre os centros de massa em El Gordo. Se as simulações puderem produzir isso, é uma evidência a favor do SIDM.
“O resultado mais significativo deste estudo de simulação é que as separações relativas observadas entre os diferentes centróides de massa do aglomerado “El Gordo” são naturalmente explicadas se a matéria escura interagir sozinha”, afirma Valdarnini.
“Por esta razão, estas descobertas fornecem uma assinatura inequívoca de um comportamento da matéria escura que exibe propriedades colisionais numa colisão de aglomerados com alto redshift muito energético,” continuou ele.
É um cenário clássico da “ponta do iceberg”. Embora esses resultados sejam a favor do modelo Self Interacting Dark Matter, eles estão longe de ser conclusivos, como Valdarnini deixa claro quando fala sobre inconsistências nos resultados.
O trabalho de Valdarnini mostra que embora os resultados sejam uma aproximação de como a matéria escura pode se comportar durante as fusões de aglomerados, há muito mais do que isso. Os “processos físicos subjacentes” são extremamente complexos.
“O estudo apresenta um argumento convincente para a possibilidade de matéria escura auto-interativa entre aglomerados em colisão como uma alternativa ao paradigma padrão da matéria escura sem colisão”, conclui.
Para a maioria dos oito mil milhões de seres humanos que vivem hoje, a matéria escura tem poucas consequências na vida quotidiana. Mas se quisermos alimentar esperanças e sonhar acordado com a civilização humana que dura séculos, milénios ou até mais, expandindo-se para o espaço e viajando para outras estrelas, é fundamental que compreendamos tudo o que pudermos sobre a natureza. A história do progresso humano é paralela à nossa crescente compreensão da natureza.
Compreender a matéria escura é fundamental para compreender a natureza. Se quisermos que a civilização persista, uma melhor compreensão de tudo o que diz respeito à natureza é o melhor caminho a seguir.
Agora, de volta à nossa vida diária sob o Modelo Padrão.
