Eles estão procurando por matéria escura na Terra, no subsolo e no espaço. Suas partículas misteriosas são invisíveis aos instrumentos científicos e não se manifestam em lugar nenhum. No entanto, uma sólida “base de evidências” foi coletada em favor de sua existência. Os cientistas têm alguma chance de descobrir matéria escura.
Um componente chave do universo
Partículas de matéria escura nasceram logo após o Big Bang, quando o universo era um plasma incandescente. À medida que esfriaram, formaram aglomerados que eventualmente proporcionaram o surgimento de estrelas e galáxias. Se o plasma contivesse apenas partículas comuns que constituem os átomos, a radiação os repeliria uns dos outros, não permitindo que formassem qualquer estrutura. Objetos gravitacionalmente ligados apareceram rápido o suficiente, o que significa que algo os estava ajudando. Alguma substância maciça os reteve. Agora ela não interage com a matéria comum de forma alguma, não irradia, portanto não a observamos por nenhum método.
É assim que os cientistas reconstroem a evolução do Universo, que seria incompleta sem a participação da matéria escura. Esta conclusão foi alcançada na década de 1930 pelo astrônomo suíço Fritz Zwicky. Estudando aglomerados de galáxias, ele se perguntou por que eles não estavam se espalhando. Afinal, a massa das galáxias visíveis não é suficiente para conter o aglomerado. Portanto, deve haver uma massa oculta. Posteriormente, essa hipótese encontrou inúmeras confirmações sobre as anomalias nas taxas de rotação das galáxias: as partes dos discos distantes do centro dificilmente diminuem a velocidade, como aconteceria se fossem apenas estrelas.
A lente gravitacional permite detectar indiretamente a presença de massa oculta. Este efeito é criado por duas galáxias massivas localizadas uma atrás da outra. A luz de uma galáxia distante é curvada pelo campo gravitacional de uma galáxia próxima e, como em uma lente, sua imagem aparece. Isso dá algumas dicas sobre a matéria escura nas galáxias, formando um enorme halo invisível ao redor delas. Usando vários modelos, os cientistas calculam a distribuição da densidade da matéria escura no halo e, com base nisso, fazem suposições sobre a estrutura.
À esquerda - halo de matéria escura na galáxia NGC 4555.
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Composição de matéria escura
Os físicos tendem a acreditar que a matéria escura consiste em partículas desconhecidas para nós.
“Os métodos astrofísicos de observação nada dizem sobre suas propriedades. É possível que não interajam de forma alguma, exceto pelo método gravitacional. Talvez nem os experimentos diretos na Terra, nem as observações no espaço levem a nada. Isso deve ser sempre levado em consideração”, diz Dmitry Gorbunov, Membro Correspondente da Academia Russa de Ciências, Pesquisador-Chefe do Instituto de Pesquisa Nuclear da Academia Russa de Ciências da RIA Novosti.
Os candidatos para o papel de partículas escuras incluem axions ultraleves, partículas de interação fraca (WIMPs) e neutrinos estéreis que ajudam a explicar a massa e a oscilação dos neutrinos solares.
“O neutrino estéril mais leve pode muito bem ser uma partícula de matéria escura. Não é estável, mas vive por muito tempo. Na Galáxia, essas partículas deveriam se decompor em neutrinos e um fóton. Eles estão girando devagar (10-3 vezes a velocidade da luz), então é esperado um pico na faixa dos raios X no espectro de fótons”, diz o cientista.
Segundo ele, um bom espectrômetro deve ser enviado à órbita para tentar registrar tais eventos.
Dois anos atrás, Gorbunov e colegas modelaram uma das hipóteses sobre um componente instável da matéria escura para explicar a discrepância nos resultados do experimento do Telescópio Espacial Planck, que mediu o CMB. Talvez isso tenha sido um erro ou talvez uma indicação de alguma propriedade da matéria escura. Os cientistas sugeriram que a substância escura é heterogênea em composição e parte dela não sobreviveu até hoje.
Em busca de partículas escuras
Como capturar partículas de matéria escura é uma das principais questões da física. Muitos teóricos e experimentadores estão tentando responder. A forma de observação depende do modelo, no qual todas as propriedades da partícula hipotética são colocadas. Se assumirmos que a matéria escura estava em equilíbrio no plasma do Universo primitivo - e também havia partículas comuns - isso significa que de alguma forma ela interage com elas. De todos os tipos de interação conhecidos, exceto a gravitacional, a mais adequada é a fraca, que ocorre durante o decaimento beta de um núcleo atômico.
“Sob essa suposição, depois que o plasma primário esfria, a quantidade necessária de matéria escura permanece”, explica Dmitry Gorbunov.
Com base nisso, as partículas escuras podem ser destruídas com a formação de um elétron e um pósitron. Procuram vestígios dessas aniquilações, mas de qualquer forma são evidências circunstanciais. Além disso, os resultados são bastante confusos, as partículas são desviadas, voando ao redor da Galáxia, aniquilando, perdendo energia e o que chega à Terra é difícil de distinguir contra o fundo dos raios cósmicos.
Eles tentam observar partículas escuras diretamente em detectores subterrâneos de neutrino. Sob o solo, o fundo das partículas atmosféricas diminui, a substância detectora esfria e você precisa esperar que uma partícula de matéria escura a atinja. Esses eventos são raros em si mesmos, porque se uma partícula interagir, ela será fraca. O impacto causa excitação do átomo e uma explosão de energia, que é registrada pelo detector.
Ao mesmo tempo, é impossível aumentar infinitamente o volume da substância detectora para aumentar a probabilidade de passagem de partículas escuras sem perda de sensibilidade. Além disso, os neutrinos interferem no sinal. Para eliminá-lo, talvez você precise construir um detector completamente novo para ficar abaixo desse sinal.
“É preciso usar a detecção da direção do impacto da partícula. Isso irá suprimir significativamente o fundo, porque os neutrinos voam na direção do Sol, e a matéria escura vai atacar em outras direções”, especifica o cientista.
A terceira direção é a criação de uma partícula de matéria escura como resultado da colisão de partículas comuns no LHC e outros aceleradores. Para o observador, parecerá, por exemplo, um fóton voando para o lado. De acordo com a lei da conservação do momento, uma partícula também deveria voar na outra direção, mas não há nenhuma. Então ela é invisível.
Até agora, nenhuma das maneiras de capturar partículas de matéria escura teve sucesso. Nem mesmo está claro qual deles é o mais promissor.
Composição do Universo / Ilustração de RIA Novosti.
Tatiana Pichugina
