Crédito da imagem: Berkeley
A matéria escura é um halo invisível de material que parece cercar todas as galáxias. Até agora, os astrônomos acreditavam que a matéria escura provavelmente formava uma névoa uniforme de partículas no espaço, mas pesquisadores da UC Berkeley e do MIT criaram uma simulação em computador de como a matéria escura poderia se agrupar em pedaços maiores de material.
A "matéria escura" que compreende um quarto do universo ainda não detectado não é um nevoeiro cósmico uniforme, diz um astrofísico da Universidade da Califórnia, Berkeley, mas forma grupos densos que se movem como partículas de poeira dançando em um eixo de leve.
Em um artigo enviado esta semana à Physical Review D, Chung-Pei Ma, professor associado de astronomia da UC Berkeley, e Edmund Bertschinger, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), provam que o movimento de aglomerados de matéria escura pode ser modelado em de maneira semelhante ao movimento browniano de poeira ou pólen no ar.
Suas descobertas devem fornecer aos astrofísicos uma nova maneira de calcular a evolução desse universo fantasma de matéria escura e reconciliá-lo com o universo observável, disse Ma.
A matéria escura é um problema persistente para a astronomia há mais de 30 anos. Estrelas dentro de galáxias e galáxias dentro de aglomerados se movem de uma maneira que indica que há mais matéria do que podemos ver. Essa matéria invisível parece estar em um halo esférico que se estende provavelmente 10 vezes mais que o halo estelar visível ao redor das galáxias. As propostas iniciais de que a matéria invisível é composta por estrelas queimadas ou neutrinos pesados não foram bem-sucedidas, e os candidatos favoritos atuais são partículas exóticas, chamadas de neutrilinos, axions ou outras partículas supersimétricas hipotéticas. Como essas partículas exóticas interagem com a matéria comum apenas pela gravidade, não por ondas eletromagnéticas, elas não emitem luz.
"Estamos vendo apenas metade de todas as partículas", disse Ma. "Eles são pesados demais para produzir agora em aceleradores, então metade do mundo não sabemos".
A imagem só piorou quatro anos atrás, quando a “energia escura” foi encontrada ainda mais prevalente que a matéria escura. O relato cósmico agora prende a energia escura em cerca de 69% do universo, a matéria escura exótica em 27%, a matéria escura mundana - estrelas escuras e invisíveis - em 3% e o que realmente vemos em apenas 1%.
Baseado em modelos computacionais de como a matéria escura se moveria sob a força da gravidade, Ma disse que a matéria escura não é uma névoa uniforme envolvendo aglomerados de galáxias. Em vez disso, a matéria escura forma aglomerados menores que se parecem superficialmente com as galáxias e aglomerados globulares que vemos em nosso universo luminoso. A matéria escura tem uma vida dinâmica independente da matéria luminosa, disse ela.
"O fundo cósmico de microondas mostra os primeiros efeitos do aglomerado de matéria escura, e esses aglomerados crescem sob atração gravitacional", disse ela. “Mas cada um desses aglomerados, o halo em torno dos aglomerados de galáxias, era considerado suave. As pessoas ficaram intrigadas ao descobrir que simulações de alta resolução mostram que elas não são suaves, mas têm subestruturas complexas. O mundo sombrio tem uma vida dinâmica própria.
Ma, Bertschinger e o estudante de pós-graduação da UC Berkeley Michael Boylan-Kolchin realizaram algumas dessas simulações. Vários outros grupos nos últimos dois anos também mostraram aglomerações semelhantes.
O universo fantasma da matéria escura é um modelo para o universo visível, disse ela. A matéria escura é 25 vezes mais abundante que a mera matéria visível; portanto, a matéria visível deve se agrupar onde quer que a matéria escura se agrupe.
Aí reside o problema, disse Ma. Simulações em computador da evolução da matéria escura prevêem muito mais aglomerados de matéria escura em uma região do que existem aglomerados de matéria luminosa que podemos ver. Se a matéria luminosa segue a matéria escura, deve haver números quase equivalentes para cada um.
"Nossa galáxia, a Via Láctea, tem cerca de uma dúzia de satélites, mas em simulações vemos milhares de satélites de matéria escura", disse ela. “A matéria escura na Via Láctea é um ambiente dinâmico e animado, no qual milhares de satélites menores de aglomerados de matéria escura estão fervilhando em torno de um grande halo principal de matéria escura, interagindo constantemente e perturbando uns aos outros.”
Além disso, os astrofísicos que modelavam o movimento da matéria escura ficaram intrigados ao ver que cada grupo tinha uma densidade que atingia o pico no centro e caía em direção às bordas exatamente da mesma maneira, independentemente de seu tamanho. Esse perfil de densidade universal, no entanto, parece estar em conflito com as observações de algumas galáxias anãs feitas pelo colega de Ma, professor de astronomia da UC Berkeley, Leo Blitz, e seu grupo de pesquisa, entre outros.
Ma espera que uma nova maneira de ver o movimento da matéria escura resolva esses problemas e a teoria dos quadrados com observação. Em seu artigo da Physical Review, discutido em uma reunião no início deste ano da American Physical Society, ela provou que o movimento da matéria escura pode ser modelado como o movimento browniano que o botânico Robert Brown descreveu em 1828 e Albert Einstein explicou em um seminal de 1905 papel que o ajudou a ganhar o Prêmio Nobel de 1921 em Física.
O movimento browniano foi descrito pela primeira vez como o caminho em ziguezague percorrido por um grão de pólen flutuando na água, empurrado por moléculas de água colidindo com ele. O fenômeno se refere igualmente ao movimento da poeira no ar e a densos aglomerados de matéria escura no universo da matéria escura, disse Ma.
Essa percepção "vamos usar uma linguagem diferente, um ponto de vista diferente da visão padrão", para investigar o movimento e a evolução da matéria escura, disse ela.
Outros astrônomos, como Ivan King, professor emérito de astronomia da UC Berkeley, usaram a teoria do movimento browniano para modelar o movimento de centenas de milhares de estrelas dentro de aglomerados de estrelas, mas essa, disse Ma, “é a primeira vez que é aplicada. rigorosamente a grandes escalas cosmológicas. A ideia é que não nos importamos exatamente onde estão os aglomerados, mas como os aglomerados se comportam estatisticamente no sistema, como se espalham gravitacionalmente. ”
Ma observou que o movimento browniano de aglomerados é governado por uma equação, a equação de Fokker-Planck, usada para modelar muitos processos estocásticos ou aleatórios, incluindo o mercado de ações. Ma e colaboradores estão atualmente trabalhando na solução dessa equação para a matéria escura cosmológica.
"É surpreendente e agradável que a evolução da matéria escura, a evolução de aglomerados, obedeça a uma equação simples de 90 anos", disse ela.
O trabalho foi apoiado pela Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço.
Fonte original: UC Berkeley
