Uma nova teoria da matéria escura pode resolver três mistérios cósmicos

Um estudo inovador, liderado pelo físico Hai-Bo Yu da Universidade da Califórnia em Riverside (UC Riverside), propõe uma nova teoria para a matéria escura que pode desvendar três mistérios astrofísicos observados em ambientes cósmicos distintos. A matéria escura, uma substância invisível e misteriosa que, em teoria, constitui cerca de 85% da massa do universo, continua a ser um dos maiores enigmas da cosmologia moderna, desafiando a detecção direta por cientistas. A pesquisa da equipe, intitulada "Halos SIDM com núcleo colapsado como a origem comum de perturbadores densos em lentes, fluxos e satélites", foi publicada na prestigiada revista *Physical Review Letters*. Este trabalho sugere que um tipo específico de matéria escura, capaz de interagir consigo mesma, oferece uma explicação coesa para fenômenos que o modelo padrão de matéria escura não consegue abordar.

O modelo cosmológico padrão, conhecido como Matéria Escura Fria (CDM), postula que as partículas de matéria escura são "sem colisão", o que significa que elas atravessam umas às outras sem interagir significativamente. No entanto, o estudo de Yu e sua equipe introduz a Matéria Escura Autointeragente (SIDM), um conceito onde as partículas de matéria escura podem colidir e interagir entre si. Essa interação permite que a matéria escura se torne suficientemente densa em certas regiões, oferecendo uma solução para as observações que desafiam o modelo CDM. A capacidade da SIDM de formar estruturas mais densas em seus núcleos é crucial para explicar as anomalias observadas em diferentes escalas cósmicas, desde galáxias anãs até aglomerados de galáxias, fornecendo uma alternativa promissora para a compreensão da distribuição da matéria no universo.

O primeiro mistério cósmico que a teoria da SIDM busca resolver é a existência de um objeto ultradenso no sistema de lentes gravitacionais JVAS B1938+666. Este sistema é composto por uma galáxia em primeiro plano, localizada a uma distância estimada entre 6, 5 e 10 bilhões de anos-luz da Terra, e uma galáxia distante em segundo plano, cuja luz é distorcida pela gravidade da galáxia frontal, formando um anel de Einstein. As observações deste sistema revelaram a presença de um perturbador de massa extremamente compacto e denso, cuja natureza e origem são difíceis de conciliar com as previsões do modelo CDM. A matéria escura autointeragente, ao permitir a formação de halos de matéria escura com núcleos mais densos, oferece uma explicação natural para a existência de tal objeto, que atua como uma lente gravitacional adicional, alterando a imagem do anel de Einstein.

O segundo enigma abordado pela pesquisa envolve um fluxo estelar que apresenta múltiplas lacunas e uma característica de "esporão", onde parte do fluxo se ramifica do corpo principal. Tais fluxos estelares são correntes de estrelas que foram arrancadas de aglomerados globulares ou galáxias anãs pela força gravitacional de uma galáxia maior, como a Via Láctea. As irregularidades observadas nesses fluxos, como as lacunas e os esporões, são frequentemente interpretadas como evidências da interação com sub-halos de matéria escura invisíveis. No entanto, a densidade e a distribuição desses sub-halos, conforme previsto pelo modelo CDM, não se alinham perfeitamente com as características detalhadas dos fluxos observados. A teoria da SIDM, com sua capacidade de produzir sub-halos de matéria escura com perfis de densidade mais variados e, em alguns casos, mais densos, pode explicar de forma mais consistente a morfologia complexa e as perturbações observadas nesses delicados rios de estrelas.

Por fim, o terceiro mistério diz respeito ao aglomerado estelar globular Fornax 6, localizado na galáxia anã de Fornax, um satélite da Via Láctea. Diferentemente de outros aglomerados que compõem essa galáxia, Fornax 6 exibe uma composição mais rica em metais, sugerindo que é um aglomerado mais jovem, com uma idade estimada em aproximadamente 2 bilhões de anos. A formação e a evolução de aglomerados globulares em galáxias anãs são sensíveis à distribuição da matéria escura. As densidades observadas em Fornax 6 e em outros aglomerados similares são difíceis de serem explicadas pelo modelo padrão de matéria escura, que prevê halos de matéria escura com perfis de densidade centrais menos acentuados. Em contraste, o modelo SIDM, ao permitir que a matéria escura se autointeraja e forme núcleos mais densos, oferece uma explicação mais natural para as características observadas desses aglomerados, alinhando-se melhor com suas propriedades de metalicidade e idade.

Em suma, os três fenômenos – o objeto ultradenso em JVAS B1938+666, as lacunas e esporões em fluxos estelares, e as características do aglomerado Fornax 6 – apresentam densidades que são desafiadoras para o modelo padrão de matéria escura, mas que emergem de forma natural dentro do arcabouço da Matéria Escura Autointeragente. A pesquisa de Hai-Bo Yu e sua equipe representa um avanço significativo na busca por uma compreensão mais completa da matéria escura, sugerindo que a interação entre suas partículas pode ser a chave para desvendar alguns dos mais persistentes enigmas do universo. Este estudo foi possível graças ao apoio financeiro da Fundação John Templeton e de agências governamentais dos Estados Unidos, destacando a importância da colaboração e do investimento em pesquisa fundamental para o progresso da ciência.