A matéria escura, o material invisível que compõe a grande maioria da massa do universo, pode se reunir em átomos, mostram novas simulações. Esses "átomos escuros" podem mudar radicalmente a evolução das galáxias e a formação das estrelas, dando aos astrônomos uma nova oportunidade de entender essa substância misteriosa.
A matéria escura compõe mais de 80% da massa de todas as galáxias e aglomerados de galáxias no universo. Todas as nossas observações indicam que a matéria escura é um novo tipo de partícula que não interage com a matéria comum ou mesmo com a luz. Só podemos identificar a matéria escura por meio de sua interação gravitacional com todo o resto. Qualquer que seja a matéria escura, ela está além de nossa compreensão moderna da física. Mas ainda tem massa e, portanto, gravidade.
Ainda não sabemos se a matéria escura é simples ou complexa. Pode consistir em apenas um tipo de partícula que domina o universo e dificilmente interage até consigo mesma. Ou pode consistir em vários tipos de partículas, com a mesma rica variedade que vemos na matéria comum. Além disso, conhecemos apenas quatro forças fundamentais da natureza: gravidade, eletromagnetismo, interação nuclear forte e interação nuclear fraca. Mas pode haver forças adicionais que atuam apenas entre as partículas de matéria escura e não afetam a matéria normal.
O conceito de partículas adicionais de matéria escura e forças escuras não é tão absurdo quanto pode parecer. Nossa compreensão da física é construída sobre simetrias, que são relacionamentos matemáticos profundos entre partículas. É possível que existam simetrias adicionais nas leis da natureza que tornam a matéria escura uma contraparte da matéria normal, e que para cada tipo de interação que a matéria normal pode envolver, existe uma contraparte no setor escuro.
Por exemplo, a partir da matéria comum podemos construir átomos simples: um próton e um elétron, conectados entre si, com um fóton, o portador da força eletromagnética, que medeia a interação. Também podemos ter uma versão da mesma estrutura da matéria escura, com um próton escuro ligado a elétrons escuros por fótons escuros: átomos escuros.
A matéria escura atômica se comportaria de maneira muito diferente da matéria escura que consiste em apenas uma partícula. Mais importante ainda, seria muito difícil para a matéria escura simples se aglomerar, e isso aconteceria lentamente, ao longo de centenas de milhões de anos. A matéria comum se acumula nesses aglomerados suaves de matéria escura para formar galáxias, mas, fora isso, elas levam vidas separadas. A matéria escura atômica, no entanto, pode formar suas próprias galáxias de sombra – estruturas semelhantes a discos que imitam o tamanho e a localização das galáxias visíveis.
Uma equipe de astrofísicos usou essa possibilidade intrigante para modelar a evolução das galáxias e ver quais diferenças observadas podem surgir. Eles permitiram que a matéria escura atômica evoluísse de acordo com suas próprias forças e depois investigaram como essas novas estruturas afetariam as galáxias visíveis por meio da nova organização da gravidade. Eles publicaram seus resultados em um banco de dados de pré-impressão on-line em abril arXiv.
Os pesquisadores descobriram que mesmo uma pequena quantidade de matéria escura atômica – apenas 6% de toda a matéria escura do universo, sem incluir o restante – é suficiente para mudar radicalmente a evolução das galáxias. Como a matéria escura atômica é capaz de interagir, ela pode se condensar facilmente, perdendo energia por meio da emissão de alguma forma de radiação escura. As simulações mostraram que um "disco escuro" aparece rapidamente dentro de cada galáxia, cuja rotação se aproxima da rotação dos componentes normais visíveis.
A partir daí, a matéria escura atômica continuou a condensar, assim como o gás normal se condensa em nuvens e eventualmente em estrelas. Na simulação, a matéria escura atômica formou suas próprias estrelas escuras e pode até causar a formação de seus próprios buracos negros. Esses aglomerados então afundaram no núcleo galáctico, onde a densidade aumentou.
Por causa dessa gravidade extra, a formação de estrelas nos núcleos das galáxias é acelerada, formando estrelas muito mais rapidamente do que galáxias com matéria escura simples. Essas simulações realmente descartaram alguns modelos de matéria escura atômica porque esses modelos fizeram com que suas galáxias ficassem sem material de formação de estrelas muito rapidamente.
Mas alguns modelos sobreviveram aos limites atuais das observações, permitindo a possibilidade adicional da existência de matéria escura atômica. Os pesquisadores esperam que mais estudos teóricos e experimentais esclareçam a plausibilidade dessa forma intrigante de matéria exótica. Por exemplo, como a matéria escura atômica se condensa de maneira tão eficiente, podemos detectar aglomerados densos semelhantes a estrelas com futuros estudos de microlentes gravitacionais usando o Telescópio Espacial Nancy Grace da NASA em Roma.
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