Nova pesquisa desafia a suposição da matéria escura e fria

A obra foi publicada em Cartas de revisão físicao principal jornal da American Physical Society. Ao reexaminar como a matéria escura pode ter surgido no Universo primordial, o estudo expande o leque de explicações possíveis sobre a origem da matéria escura e como pode interagir com outras formas de matéria.

Desafiando a suposição da matéria fria e escura

Durante décadas, os cientistas acreditaram que a matéria escura tinha que ser fria quando se separou da intensa radiação que preenchia o jovem Universo, um processo conhecido como congelamento. A matéria escura fria move-se lentamente, uma propriedade considerada essencial para a formação de galáxias e estruturas cósmicas de grande escala. Para revisitar esta suposição, a equipa de investigação concentrou-se numa fase crítica, mas menos explorada, da história cósmica, chamada reaquecimento pós-inflacionário.

Durante o reaquecimento, o Universo encheu-se rapidamente de partículas após o fim da inflação cósmica. Os investigadores examinaram como a matéria escura poderia ter sido produzida durante este período energético e o que isso significaria para o seu comportamento posterior.

Por que a matéria escura quente já foi rejeitada

“O candidato mais simples à matéria escura (um neutrino de baixa massa) foi descartado há mais de 40 anos, uma vez que teria eliminado estruturas de tamanho galáctico em vez de semeá-las,” disse Keith Olive, professor da Escola de Física e Astronomia. “O neutrino tornou-se o principal exemplo de matéria escura quente, onde a formação da estrutura depende da matéria escura fria. É surpreendente que um candidato semelhante, se produzido no momento em que o Universo quente do Big Bang estava a ser criado, pudesse ter arrefecido até ao ponto em que agiria de facto como matéria escura fria.”

No passado, partículas em movimento rápido como os neutrinos foram descartadas porque as suas altas velocidades teriam suavizado a matéria no Universo primordial, impedindo a formação de galáxias. Isto fez da matéria escura e fria a explicação preferida durante décadas.

Esfriando a tempo de construir galáxias

O novo estudo mostra que a matéria escura não precisa necessariamente começar fria. Os investigadores demonstraram que as partículas de matéria escura podem separar-se de outras matérias enquanto ainda são ultrarelativísticas – ou extremamente quentes – e ainda abrandar o suficiente antes de as galáxias começarem a formar-se. A razão pela qual isto funciona está diretamente ligada ao reaquecimento, que fornece tempo suficiente para as partículas esfriarem à medida que o Universo se expande.

“A matéria escura é notoriamente enigmática. Uma das poucas coisas que sabemos sobre ela é que precisa de ser fria,” disse Stephen Henrich, estudante de pós-graduação na Escola de Física e Astronomia e principal autor do artigo. “Como resultado, durante as últimas quatro décadas, a maioria dos investigadores acreditou que a matéria escura deve estar fria quando nasce no universo primordial. Os nossos resultados recentes mostram que este não é o caso; na verdade, a matéria escura pode estar em brasa quando nasce, mas ainda tem tempo para arrefecer antes que as galáxias comecem a formar-se.”

Olhando para o futuro, para a detecção e o universo inicial

A equipa planeia desenvolver estes resultados explorando como essas partículas de matéria escura podem ser detectadas. Abordagens possíveis incluem buscas diretas usando colisores de partículas ou experimentos de dispersão, bem como detecção indireta por meio de observações astronômicas.

“Com as nossas novas descobertas, poderemos conseguir aceder a um período da história do Universo muito próximo do Big Bang,” disse Yann Mambrini, professor da Université Paris-Saclay, em França, e co-autor do artigo.

A investigação foi apoiada por financiamento do programa de investigação e inovação Horizonte 2020 da União Europeia, ao abrigo do acordo de subvenção Marie Sklodowska-Curie.