Como a matéria escura formou o universo? Esta física tem ideias

Aos 12 anos, Tracy Slatyer sentiu pena de um livro. Ela leu uma reportagem de jornal sobre como muitas pessoas estavam comprando Uma Breve História do Tempo, de Stephen Hawking. “Mas depois… ninguém estava lendo”, conta. “As pessoas simplesmente deixavam o livro na mesa de centro.”

Determinada a corrigir essa injustiça, Slatyer pegou um exemplar e leu cada página com dedicação. O texto popular do famoso físico revelou a ela “que a matemática era, de certa forma, uma linguagem expressiva para descrever como as coisas realmente funcionam”, diz. “Isso, para mim, foi empolgante.”

Hoje, Slatyer, física teórica do MIT, usa suas habilidades matemáticas para imaginar novas ideias sobre a matéria escura. Essa substância misteriosa representa cerca de 85% da matéria do universo. No entanto, ela tem escapado repetidamente das tentativas dos cientistas de detectá-la. Slatyer busca entender onde a matéria escura pode ter sido criada, como pode interagir consigo mesma ou com outras partículas e, principalmente, quais seriam as consequências dessas interações.

Os físicos sabem que a matéria escura existe porque observam sua influência gravitacional sobre galáxias, aglomerados de galáxias e a evolução do universo como um todo. Além disso, há poucos dados disponíveis. Slatyer ajudou a imaginar as diversas maneiras pelas quais a matéria escura poderia deixar assinaturas sutis na estrutura da realidade que apareceriam nas observações.

Entre os cientistas que trabalham nessa área, “não acho que haja alguém que tenha tido mais impacto”, diz Dan Hooper, físico da Universidade de Chicago. “Ela é tão importante quanto eu poderia dizer.”

Descoberta das bolhas de Fermi

Nascida nas Ilhas Salomão, Slatyer cresceu em Canberra, na Austrália. Após seu encontro com o livro de Hawking, decidiu que queria estudar física. Durante o doutorado na Universidade Harvard, nos anos 2000, conheceu o físico Douglas Finkbeiner, que investigava sinais misteriosos no centro da Via Láctea.

Um satélite de pesquisa havia detectado excessos incomuns de pósitrons (as antipartículas do elétron) e fótons de alta energia chamados raios gama, que não podiam ser explicados pelas teorias convencionais. Juntos, Slatyer e Finkbeiner passaram a investigar um tipo de matéria escura que se autodestruiria — um modelo no qual essa matéria deixaria para trás elétrons e pósitrons, que interagiriam com a luz das estrelas para produzir raios gama.

Em 2008, a NASA lançou o Telescópio Espacial Fermi de Raios Gama, que ofereceu imagens sem precedentes de fótons de alta energia vindos do centro galáctico. Se a matéria escura realmente se aniquilasse, deveria aparecer nos dados do Fermi. No ano seguinte, Slatyer e Finkbeiner analisaram os dados públicos do telescópio.

“Analisamos os dados e vimos esse grande brilho difuso ao norte e ao sul do centro galáctico”, lembra Slatyer. “Então pensamos: ‘Vitória!’”

Mas, quanto mais investigavam, mais perceberam que não era matéria escura. As imagens do Fermi revelaram uma gigantesca estrutura em forma de ampulheta que se estendia por 25 mil anos-luz acima e abaixo do plano da Via Láctea. A matéria escura é considerada difusa, formando um halo ao redor da galáxia — mas essa estrutura tinha bordas muito definidas.

Buracos negros supermassivos nos centros de outras galáxias já eram conhecidos por ejetar material em formas semelhantes. Por fim, Slatyer e seus colegas concluíram que estavam observando algo parecido. Essas estruturas ficaram conhecidas como bolhas de Fermi e passaram a ser amplamente estudadas, gerando um debate contínuo sobre sua origem.

Slatyer não encontrou a matéria escura, mas afirma: “Eu tento não reclamar quando a natureza me dá algo novo e empolgante, mesmo que não seja exatamente o que eu estava procurando.”

Matéria escura no universo primitivo

Desde então, grande parte de seu trabalho tem explorado diferentes cenários para a matéria escura. Em alguns estudos, ela investigou como essa substância poderia ter se aniquilado ou decaído no universo primitivo, deixando partículas fundamentais que alterariam sutilmente a temperatura prevista do cosmos. Esse efeito poderia ser detectado na radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB), a luz remanescente de quando o universo tinha apenas 380 mil anos.

Satélites que medem essa radiação mostram que o universo possui praticamente a mesma temperatura em todas as direções, com variações de apenas uma parte em 100 mil. Slatyer e seus colegas calcularam que, se a aniquilação da matéria escura tivesse ocorrido, poderia deixar uma assinatura ainda mais sutil — de uma parte por milhão. Em 2023, sua equipe relatou como a presença de matéria escura autoaniquilante distorceria a CMB, fornecendo um sinal para instrumentos futuros procurarem.

Em um estudo publicado em maio de 2024, ela e seus colaboradores analisaram outros possíveis efeitos do excesso de calor no universo primitivo causado pela matéria escura. Em alguns cenários, essa temperatura mais elevada poderia ter gerado elétrons livres em excesso, que atuariam como catalisadores de reações químicas favoráveis à formação de estrelas, possivelmente levando ao surgimento precoce de muitas delas.

Outros pesquisadores sugerem que esse calor adicional teria facilitado o movimento de gás e poeira, reduzindo a formação estelar. Nesse caso, grandes aglomerados de matéria poderiam ter colapsado em buracos negros massivos, que serviriam como sementes para as primeiras galáxias.

Essas ideias podem ajudar a explicar o que o Telescópio Espacial James Webb tem observado ao olhar para o passado cósmico. O telescópio parece ter identificado buracos negros e galáxias inesperadamente grandes no universo primitivo. Slatyer e seus colegas sugerem que a matéria escura pode estar por trás desses objetos cósmicos surpreendentemente massivos.

Ao levar suas teorias às últimas consequências, Slatyer tornou-se uma figura essencial na comunidade de físicos teóricos e observacionais que buscam a matéria escura. “Ela é uma dessas pessoas onipresentes”, diz Finkbeiner. “Está em todas as reuniões. Participa de todos os debates. Está em todos os painéis discutindo o que a área precisa fazer nos próximos 10 anos.”

Diante de tudo o que ainda é desconhecido sobre a matéria escura, Slatyer acredita ser fundamental considerar uma ampla gama de possibilidades e desenvolver experimentos para testá-las. “Tentamos garantir que não deixemos passar nada que seja claramente importante”, afirma.

Fonte da imagem: www.sciencenews.org