Universo Superfluido: Matéria Escura como Condensado de Bose-Einstein

Os efeitos quânticos funcionam não apenas no nível subatômico: eles podem se espalhar pela galáxia e resolver o mistério da matéria escura

A maior parte da matéria do Universo é invisível, consiste de uma certa substância que não deixa vestígios no processo de passagem por nós e por todos os detectores construídos pelos cientistas para capturá-lo. Mas essa matéria escura pode nem mesmo consistir em nuvens invisíveis de partículas, como sugerem a maioria dos teóricos. Em vez disso, pode se tornar algo ainda mais estranho: um superfluido que se condensou em poças bilhões de anos atrás e gerou as galáxias que estamos observando hoje.

Essa nova suposição tem consequências de longo alcance para a cosmologia e a física. A matéria escura superfluida (STM) resolve muitos problemas teóricos associados a nuvens de partículas. Ela explica as tentativas frustradas e prolongadas de determinar os componentes individuais dessas nuvens. Ele também oferece um caminho científico claro para pesquisas adicionais e fornece determinadas previsões que podem ser verificadas em breve.

STM também tem implicações conceituais importantes. A partir dessa ideia, segue-se que o conceito geralmente aceito do Universo como uma massa de partículas individuais ligadas por algumas forças - como se o designer de uma criança - perdesse toda a riqueza da natureza. A maior parte da matéria no Universo pode ser completamente diferente da matéria em que seu corpo é composto: pode não ser constituído por átomos ou partículas do tipo que normalmente imaginamos, mas ser um conjunto coerente de enorme extensão.

"Por muitos anos, as pessoas usaram o modelo mais simples para a MT: partículas que não colidem com outras e não emitem luz", disse Justin Khoury, professor de física teórica da Universidade da Pensilvânia. "Mas, nos últimos 20 anos, as observações e simulações por computador melhoraram acentuadamente e, em escala galáctica, esse modelo apresenta alguns problemas." Partículas de TM não colidem consigo mesmas, portanto, não se agrupam em estruturas compactas equivalentes a estrelas e planetas. Como a MT, por definição, não emite luz, a evidência de sua existência é seu efeito gravitacional: o material invisível, a julgar por tudo, afeta a formação, a rotação e o movimento das galáxias. Nas escalas maiores, os HMs sem colisão geralmente concordam com as observações astronômicas.

Em uma escala menor, esse modelo popular e amplamente utilizado prediz que mais material deve ser coletado nos centros galácticos do que os astrônomos podem ver - esse recurso é conhecido como “problema de cúspide”. Além disso, este modelo prevê muitas galáxias satélites para a Via Láctea e não pode explicar por que os satélites que realmente temos estão localizados quase no mesmo plano. E, finalmente, a MT sem colisões não diz nada sobre por que o brilho das galáxias espirais corresponde à sua velocidade de rotação. Este modelo simples parece ser muito simples.

Uma explicação possível para essas deficiências pode ser o fato de os físicos terem perdido um importante processo astrofísico envolvido na formação da galáxia. Mas Koury acha que não. Do seu ponto de vista, esse problema fala de algo mais profundo. A questão não é apenas que o modelo frio da MT sem colisões dificilmente corresponda a alguns dados, mas também que um modelo completamente diferente é muito melhor consistente com as próprias observações com as quais o modelo padrão tem problemas. Em vez de inventar partículas novas e não descobertas, outro modelo sugere modificar a gravidade para combinar com a TM. O comportamento da gravidade a distâncias de milhares e milhões de anos-luz não pode ser medido diretamente. Pequenos efeitos que não podem ser detectados na Terra podem desempenhar um papel bastante grande na escala de uma galáxia inteira.

A modificação da gravidade (MG) é surpreendentemente bem-sucedida em alguns casos e apresenta problemas em outros. Por um lado, surpreendentemente corresponde facilmente à rotação das galáxias e explica de onde vem a dependência do brilho e a velocidade da rotação. MG não permite que uma variedade de parâmetros de galáxia para galáxia apareça que ocorre ao usar nuvens de partículas - as últimas podem ser completamente diferentes. Por outro lado, o MG dificilmente lida com observações de distâncias muito maiores ou menores que o tamanho de uma galáxia típica. Nessas escalas, o modelo da MT fria funciona melhor.

É notório o fato de que mudar algo na teoria da gravidade de Einstein, sem quebrá-lo completamente, é extremamente difícil. Portanto, a maioria dos físicos escolhe uma alternativa mais segura na forma de material particulado. Para eles, o surgimento de novas partículas é um caminho batido para a solução de problemas, e a matemática associada é um território familiar. Mas Koury não quer se juntar a nenhuma dessas partes. Ele quer tirar o melhor dos dois, de modo a se ajustar melhor ao universo real.

“Geralmente, as pessoas tentam resolver problemas de escala galáctica modificando a gravidade; essa foi a alternativa à MT ”, diz Courie. - E por alguma razão, talvez de natureza social, essas duas abordagens foram consideradas mutuamente exclusivas: você está no campo de MG ou no campo de MT, que é composto de partículas. Mas por que não combiná-los? Obviamente, a navalha de Occam diria que seria menos convincente. Portanto, a abordagem que escolhemos é que ambos os fenômenos, MG e TM, consistindo de partículas, podem ser simplesmente aspectos da mesma teoria. ”

As evidências da existência de TM se acumularam desde sua descoberta pelo astrônomo suíço Fritz Zwicky, há mais de 80 anos. Em 1933, Zwicky usou o telescópio Hooker 254 cm no Mount Wilson Observatory, na Califórnia, apontando-o para o Veronica Hair Cluster . Este é um enxame de cerca de 1000 galáxias conectadas por atração gravitacional. Em um sistema conectado, as velocidades de seus componentes - neste caso, galáxias - dependem da massa total ligada. Zwicky observou que as galáxias se movem muito mais rápido do que se considerassem a massa aparente da matéria e sugeriu que o aglomerado contenha matéria invisível. Ele o chamou de Dunkle Materie, ou "matéria escura" em alemão.

Os físicos podem descartar esse caso como um desvio estranho. Porém, essa observação é mais a regra do que a exceção quando a astrônoma americana Vera Rubin estudou a rotação de galáxias espirais a partir da década de 1960. A velocidade das estrelas em órbitas distantes do centro da galáxia depende da massa total (e, conseqüentemente, da atração gravitacional) do sistema conectado - neste caso, da massa da galáxia. As medidas de Rubin mostraram que dezenas de galáxias giravam mais rápido do que se esperaria apenas de matéria visível. Desde que as observações de Rubin trouxeram a MT à luz dos holofotes, ela esteve na lista dos problemas não resolvidos mais populares da física.

A tecnologia do telescópio vem melhorando constantemente, e as evidências a favor da MT obtidas a partir de observações foram gradualmente acumuladas e refinadas. Agora os físicos podem observar pequenas distorções devido à curvatura gravitacional do espaço-tempo perto de aglomerados galácticos. Essa distorção, conhecida como lente gravitacional fraca, distorce ligeiramente a aparência de objetos estelares mais distantes; a luz que vem deles se curva em torno do aglomerado, cuja atração age como uma lente. Pela força desse efeito, o total pode calcular a massa do cluster e demonstrar a presença de HM. Usando esse método, os físicos construíram mapas da distribuição da MT. Comparando-os com outros métodos de prova, eles determinaram que 85% da matéria do Universo deveria estar relacionada à MT.

Usando ainda mais dados, os físicos também foram capazes de excluir a ideia de que a MT consiste em pedaços invisíveis de átomos comuns, como os que compõem a Terra (tecnicamente são chamados de matéria bariônica ). Isso, matéria normal, interage demais consigo mesmo; não daria a distribuição observada da MT. A TM também não pode consistir em estrelas colapsando em buracos negros ou outros objetos astronômicos escuros. Se assim fosse, esses objetos teriam que exceder em muito as estrelas da nossa galáxia, o que levaria a distorções gravitacionais significativas e facilmente observáveis. Além disso, o HM não pode consistir em outras partículas conhecidas, como neutrinos com fraca interação, emitidos por estrelas em grande número. Os neutrinos não coalescem com força suficiente para criar estruturas galácticas observáveis.

Acontece que, para explicar em que consiste a MT, os físicos precisam construir teorias sobre novas partículas ainda não descobertas. Na maioria das vezes, eles são usados ​​em duas grandes classes: partículas massivas de interação fraca ( WIMPs ) e axônios muito mais leves , embora também não faltem hipóteses mais complexas combinando tipos diferentes de partículas. Mas todas as tentativas de detectar essas partículas diretamente, e não apenas derivar sua presença da atração gravitacional, até agora permanecem sem êxito. Em vez de resolver o enigma, experimentos para detectá-los diretamente apenas o aprofundaram.

"Hoje é impossível se interessar por cosmologia sem se interessar por matéria escura", disse Stefano Liberati, professor de física na Escola Internacional de Estudos Avançados da Itália. Liberati e colegas trabalharam independentemente em uma explicação da MT , muito semelhante ao que Kouri dá. Quando Liberati descobriu pela primeira vez quão bem-sucedidos os MGs são em escala galáctica, onde os modelos frios de MT falham, ele imediatamente tentou encontrar uma maneira de combinar esses dois modelos. "Isso me fez pensar: talvez a MT esteja passando por uma transição de fase em pequena escala", diz ele. - Talvez ele se transforme em algum tipo de líquido, em particular, em um superfluido. Se formar condensação em escala galáctica, na verdade resolveria muitos problemas. ”

Líquidos superfluídos não existem na vida cotidiana, mas são familiares aos físicos. Eles são como supercondutores - uma classe de materiais em que a eletricidade se move sem resistência. Quando resfriado a uma temperatura próxima ao zero absoluto, o hélio também começa a fluir sem resistência. Ela penetra nos poros mais pequenos e até flui para fora dos paletes, subindo pelas paredes. Esse comportamento superfluido não é exclusivo do hélio; esta é a fase do estado da matéria na qual outras partículas podem passar a temperaturas suficientemente baixas. Essa classe de líquidos ultra-frios, prevista pela primeira vez em 1924 por Einstein e pelo físico indiano Chatyatranath Bose , agora é conhecida como condensado de Bose-Einstein . Liberati percebeu que a MT também pode entrar em um estado superfluido.

Os condensados ​​de Bose-Einstein são melhor estudados na forma de uma mistura de dois componentes: líquido superfluido e comum. Esses dois componentes se comportam de maneira diferente. O superfluido exibe efeitos quânticos a grandes distâncias, não possui viscosidade e correlações inesperadas aparecem em grandes escalas; comporta-se como se consistisse em partículas muito maiores do que realmente é. Outro componente normal se comporta como os fluidos usuais; adere a recipientes e a si próprio - isto é, tem viscosidade. A proporção entre os dois componentes depende da temperatura do condensado: quanto maior a temperatura, maior a influência do componente normal.

Estamos acostumados a pensar que a física quântica prevalece apenas no campo microscópico. Mas quanto mais os físicos aprendiam sobre a teoria quântica, mais claro ficava que não era assim. Os condensados ​​de Bose-Einstein estão entre as substâncias mais estudadas que permitem a propagação de efeitos quânticos em um meio. Em teoria, o comportamento quântico pode se estender a distâncias arbitrariamente grandes se suas perturbações forem suficientemente fracas.

Em um ambiente quente e barulhento como a Terra, efeitos quânticos frágeis são rapidamente destruídos. Portanto, geralmente não encontramos aspectos estranhos da física quântica como a capacidade das partículas de se comportarem como ondas. Mas se você invocar o comportamento quântico em um local fresco e calmo, ele persistirá. Em um lugar tão frio e calmo, como no espaço sideral. Existem efeitos quânticos capazes de se estender por longas distâncias.

Se a MT fosse um condensado de Bose-Einstein - aquele em que o efeito quântico se estendesse a toda a galáxia - esse estado explicaria naturalmente dois modelos diferentes de comportamento da MT. Dentro das galáxias, a maior parte da MT estaria na fase superfluida. Durante aglomerados galácticos com uma grande proporção de espaço intergaláctico, a maior parte da MT estaria na fase normal, o que causaria um comportamento diferente. De acordo com Cooney e colegas, é possível explicar os efeitos observados da HM usando um modelo simples de condensado de Bose-Einstein com apenas alguns parâmetros abertos (propriedades que precisam ter os valores corretos para que o modelo funcione).

A idéia de que a MT pode ser um condensado de Bose-Einstein está girando há muito tempo na comunidade astrofísica, mas a nova versão tem suas próprias diferenças. A nova ideia de Kouri é tão convincente porque ele diz que a TM superfluida pode imitar a MG: ela atinge o objetivo combinando o melhor dos dois modelos. Acontece que a gravidade não precisa ser modificada para obter os resultados observados nas teorias de MG. Superfluido coerente pode levar ao aparecimento das mesmas equações e ao mesmo comportamento. Assim, o modelo de Koury combina as vantagens da MT fria e da MG sem as desvantagens de ambas as teorias.

O Superfluid TM pode superar o maior dos problemas de MG: a antipatia da maioria dos astrofísicos. Muitos desses pesquisadores vieram da física de partículas, e as equações de MG parecem incomuns para eles. Para um físico de partículas, essas equações parecem pouco atraentes e não naturais. Eles parecem adaptados ao resultado. Mas a TM superfluida oferece uma abordagem diferente, talvez mais natural, das equações.

De acordo com Cowry, as equações para o TM superfluido não pertencem ao campo da física de partículas elementares. Eles aparecem na física da matéria condensada , onde descrevem não partículas fundamentais, mas comportamento de longo alcance que aparece em sua base. No modelo de Kouri, as equações que aparecem no MG não descrevem partículas individuais. Eles descrevem o comportamento conjunto das partículas. Tais equações não são familiares para muitos especialistas em física de partículas, portanto a relação entre superfluidez e MG passou despercebida por tanto tempo. Mas, diferentemente das equações de MG, as equações que descrevem líquidos superfluídos já têm uma base teórica forte - apenas na física da matéria condensada.

O fato de Kouri ter notado que essa conexão é uma coincidência imprevisível. Ele se deparou com a literatura sobre física da matéria condensada, usando equações muito semelhantes às que ele viu nas teorias de MG: "E todo o resto simplesmente se encaixou", diz ele. "Eu pensei que tudo isso acabou de formar uma imagem bonita que combina esses dois fenômenos."

Voltando às evidências observacionais da existência da MT, a abordagem superfluida de Koury pode resolver muitos problemas dos modelos existentes. Para começar, a superfluidez evita aglomeração excessiva de HMs nos centros das galáxias, eliminando a ilusão de "torção", uma vez que todas as flutuações de densidade estão alinhadas na fase superfluida. "O superfluido terá um comprimento coerente [a distância em que toda a matéria está no mesmo estado]", diz Liberati. "A partir disso, já está claro que não haverá excessos."

A superfluidez produz um esquema de atração idêntico às equações de MG, pelo que pode ser responsável pela regularidade observada das curvas de rotação das galáxias. No entanto, ao contrário de MG, ele se comporta apenas a essas temperaturas nas quais o componente superfluido predomina. Em escalas maiores de aglomerados galácticos, o HM fica muito excitado (isto é, muito quente) e perde propriedades superfluidas. Dessa maneira, a TM superfluida poderia dar origem à formação de galáxias visíveis e, ao mesmo tempo, em uma fase diferente da superfluidez, corresponderia à estrutura observada dos aglomerados.

A abordagem de Kouri explica por que os astrônomos não observam evidências de MG dentro do sistema solar. "O sol cria um campo gravitacional tão forte que destrói localmente a coerência superfluida", diz ele. - Próximo ao sistema solar, não reflete em termos de coerência superfluida. O sol se comporta como uma impureza. Como um buraco em um líquido.

Finalmente, o modelo superfluido explica por que os físicos não conseguem encontrar partículas de MT. Desde a década de 1980, dezenas de experimentos diferentes têm procurado evidências diretas da existência de tais partículas.Essas experiências geralmente usam grandes tanques blindados com vários materiais, que em casos raros podem interagir com partículas da MT e emitir um sinal observado. Apesar da grande variedade de técnicas e materiais, o uso de detectores cuidadosamente isolados, ocultos em minas subterrâneas para filtrar sinais falsos, nenhuma evidência convincente foi encontrada sobre a existência da MT.

Na ausência de detecção, a ideia de que a MT pode ser algo além de apenas outro tipo de partícula está se tornando mais convincente. "Quando eu era estudante, acordei a cada trinta noites depois de dormir sobre a gravidade modificada", diz Nima Arkani-Hamed, professora de física teórica em Princeton. "Então aconteceu uma vez a cada 300 noites, e agora acontece a cada 100. O tema volta."

Se o HM é um líquido superfluido, as partículas em que consiste devem ser leves, muito mais leves que as hipotéticas partículas de HM que a maioria das experiências procura. Os componentes de um superfluido provavelmente são leves demais para serem detectados nas experiências atuais.

Uma previsão aprimorada e exclusiva do modelo Cowry é que o comportamento quântico superfluido deve deixar uma marca característica nas colisões de galáxias. Quando o condensado da MT de uma galáxia colide com o condensado de outra, padrões de interferência devem aparecer como resultado - ondulações na distribuição da matéria e da gravidade, o que afetará o comportamento das galáxias. A TM Superfluid também faz previsões sobre o atrito entre os componentes da TM em aglomerados de galáxias; esse atrito dará novamente um desenho definitivo da atração gravitacional. As observações das lentes gravitacionais podem detectar esses sinais da presença de TM superfluido, se você souber exatamente o que procurar.

Para a estimativa numérica de previsões, são necessárias simulações em computador. Koury agora está trabalhando exatamente nesse projeto com pesquisadores da Universidade de Oxford. As simulações também devem mostrar se o número esperado de galáxias satélites é melhor consistente com a teoria da TM superfluida do que com as previsões dos modelos existentes.

Amanda Weltman, uma cosmóloga da Universidade da Cidade do Cabo que trabalha com MT, mas não participou deste estudo, acredita que o novo modelo é "muito interessante e criativo". Mas ela diz que manterá suas estimativas até ver uma confirmação experimental, alguma evidência que apóia claramente a superfluidez: "Tais observações adicionam peso real às suas idéias". Se as simulações em supercomputadores forem bem-sucedidas, Koury poderá fornecer essas evidências. E então temos que nos acostumar com uma visão ainda mais complexa do Universo - preenchida não apenas com matéria escura, mas também com fluidos superfluídos sem atrito, girando em torno de galáxias brilhantes.

Arkani-Hamed é mais cético e não está pronto para participar da MT fria. "Mas se os covardes não forem encontrados no próximo conjunto de experimentos, não serão encontrados nos próximos 20 anos", diz ele. Ele acredita que chegou a hora de dar uma nova olhada nos modelos construídos em torno de partículas incomuns ou teorias modificadas da gravidade. Ou um modelo que combina o melhor dos dois mundos sombrios.