Pergunte a Ethan: a matéria escura não pode consistir em partículas?

Embora a maior parte da matéria escura da galáxia exista em um enorme halo que nos envolve, cada partícula individual da MT se move em uma órbita elíptica sob a influência da gravidade. Se as partículas da MT são antipartículas para si mesmas, e vamos descobrir como aproveitá-las, elas podem se tornar uma fonte ideal de energia.

Tudo o que já encontramos no Universo, da matéria à radiação, pode ser dividido nos menores componentes. Tudo neste mundo consiste em átomos, que são compostos de núcleos e elétrons, e os núcleos são compostos de quarks e glúons. A luz também consiste em partículas - fótons. Até as ondas gravitacionais, teoricamente, são compostas de gravitons: partículas que um dia podemos obter e registrar. E a matéria escura? A evidência indireta de sua existência é inegável e avassaladora, mas deve necessariamente consistir em partículas? É isso que o leitor nos pergunta:

Se a energia escura pode ser definida como a energia inerente ao tecido do espaço, será que o que percebemos como "matéria escura" também é uma função integral do espaço - forte ou fracamente associada à energia escura? Ou seja, em vez de a MT consistir em partículas, ele pode penetrar em todo o espaço com efeitos gravitacionais (homogêneos ou não homogêneos), o que pode explicar nossas observações - algo como “massa escura”?

Vamos examinar as evidências e ver o que elas nos dizem sobre as possibilidades.


A expansão (ou contração) do espaço é uma conseqüência necessária de um universo contendo massa. Mas a taxa de expansão e sua mudança no tempo depende quantitativamente do conteúdo do Universo.

Uma das propriedades mais notáveis ​​do Universo é a relação direta entre seu conteúdo e a mudança na taxa de expansão ao longo do tempo. Através de muitas medições cuidadosas de várias fontes individuais de informação - estrelas, galáxias, supernovas, CMB, estruturas em larga escala do Universo - conseguimos medir essas duas quantidades e determinar a composição do Universo. Em princípio, poderíamos imaginar todo um conjunto de tudo em que nosso Universo poderia consistir - mas todas essas coisas teriam efeitos diferentes na expansão cósmica.


Vários componentes e contribuições para a densidade energética do Universo e o tempo de seu possível domínio. Se cordas cósmicas e paredes de domínio existissem em uma quantidade tangível, elas dariam uma contribuição significativa para a expansão do Universo.

Graças a um conjunto completo de dados de hoje, sabemos em que o Universo consiste:

• 68% - energia escura, cuja densidade é retida com a expansão do espaço;
• 27% - a matéria escura que exerce efeito gravitacional, com densidade que diminui com o aumento do volume, não interage, tanto quanto se pode julgar pelas medições, por outras interações;
• 4,9% - matéria normal, experimentando todas as interações físicas, com a densidade diminuindo com o aumento do volume, aglomeração e consistindo de partículas;
• 0,1% - os neutrinos estão sujeitos a interações nucleares gravitacionais e fracas, são compostos de partículas, se juntam apenas se desacelerarem o suficiente para se comportarem como matéria e não como radiação;
• 0,01% de fótons experimentando interações gravitacionais e eletromagnéticas, comportando-se como radiação; À medida que o volume aumenta, sua densidade diminui e o comprimento de onda se estende.

Com o tempo, a importância desses vários componentes mudou e as porcentagens indicadas representam o universo de hoje.


O gráfico da velocidade aparente de expansão (eixo y) versus distância (eixo x) corresponde ao Universo, que no passado se expandiu mais rapidamente, mas hoje está se expandindo. Esta é uma versão moderna do gráfico, estendendo-se milhares de vezes além do trabalho principal do Hubble. Diferentes curvas correspondem a diferentes composições possíveis do universo.

Com base em nossas melhores medições, a energia escura tem as mesmas propriedades em diferentes regiões do Universo, em todas as direções no céu e em todos os momentos da história cósmica. Em outras palavras, a energia escura parece homogênea e isotrópica: é a mesma em todos os lugares e sempre. Até onde sabemos, a energia escura não precisa ser composta de partículas; pode ser simplesmente uma propriedade inerente à estrutura do espaço.

No entanto, a matéria escura difere fundamentalmente dela.


Nas escalas maiores, o aglomerado de galáxias observado (azul e violeta) não pode ser reproduzido em simulações (vermelho) sem o uso de matéria escura

Para a formação das estruturas do Universo que observamos, especialmente nas maiores escalas cósmicas, a matéria escura deve não apenas existir, mas também ter a capacidade de se agrupar. Não pode ter a mesma densidade em todos os lugares do espaço; deve estar concentrado em regiões de alta densidade e ser escasso ou simplesmente ausente em regiões de baixa densidade. Podemos dizer com precisão a quantidade de MT contida em diferentes regiões do espaço, realizando várias observações. E aqui estão as três observações mais importantes.


Dados sobre clusters de grande escala (pontos) e previsões baseadas em um universo contendo 85% de matéria escura e 15% de matéria normal (linha sólida) são incrivelmente precisos. A curvatura da linha indica a temperatura da MT; o grau de desvio caracteriza a proporção de matéria escura e comum.

1) A densidade espectral da matéria : é necessário estabelecer a localização da matéria no Universo, ver em que escala a correlação de galáxias é visível - uma medida da probabilidade da presença de galáxias a uma certa distância da selecionada - e marcar tudo. Se o Universo consistisse de matéria homogênea, a estrutura resultante seria embaçada. Se a MT no universo não se aglomerasse no início do desenvolvimento, a estrutura em pequena escala seria destruída. A densidade espectral da matéria nos diz que aproximadamente 85% da matéria no Universo pertence à MT, que é completamente diferente de prótons, nêutrons e elétrons, e essa MT parecia fria, ou com baixa energia cinética em comparação com a massa em repouso.


A distribuição de massa no aglomerado de galáxias que o Abell 370 recriou através de lentes gravitacionais demonstra dois halos grandes e abertos de massa correspondentes a dois aglomerados de HMs. Ao redor e por todo o volume de cada galáxia, cada aglomerado e aglomerados maciços de matéria, há em média 5 vezes mais TM.

2) lente de gravidade . Se você observar um objeto maciço, como um quasar, galáxia ou aglomerado de galáxias, verá como a presença dele distorce a luz dos objetos por trás dele. Como conhecemos as leis da gravidade controladas pela relatividade geral de Einstein, com base na curvatura da luz, podemos calcular a quantidade de massa presente em cada objeto. Graças a todo um conjunto de métodos diferentes, podemos determinar a quantidade de massa presente na matéria normal: estrelas, gás, poeira, buracos negros, plasma, etc. E, novamente, descobrimos que, em média, 85% da questão deve estar relacionada ao HM e, além disso, o HM é distribuído de maneira mais difusa e semelhante à nuvem, em contraste com a matéria normal densa. Isso é confirmado por lentes fracas e fortes.


A estrutura das explosões de radiação relíquia varia de acordo com o conteúdo do Universo

3) radiação de relíquia . Se estudarmos o brilho residual da radiação remanescente do Big Bang, podemos descobrir que ele é aproximadamente uniforme: 2,725 K em todas as direções. Se você se aprofundar nos detalhes, ficará claro que há pequenas imperfeições da ordem de dezenas e centenas de mícrons em todas as escalas angulares. Essas flutuações nos dizem muitas coisas importantes, incluindo a proporção das densidades da matéria normal, matéria escura e energia escura, mas a coisa mais importante que eles dizem é quão uniforme o Universo era com 0,003% da corrente atual e, em seguida, suas seções mais densas eram apenas 0,01% mais denso que o menos denso. Em outras palavras, a matéria escura começou completamente uniforme e, eventualmente, se aglomerou!


Um estudo detalhado do universo sugere que ele consiste de matéria, mas não de antimatéria; que a matéria escura e a energia escura devem estar presentes nela, e que as fontes dessas substâncias misteriosas são desconhecidas para nós. No entanto, flutuações da radiação CMB, a formação e correlação entre estruturas em larga escala e observações modernas de lentes gravitacionais - tudo isso converge na mesma imagem.

Tendo reunido tudo isso juntos, chegamos à conclusão de que a MT é obrigada a se comportar como um líquido que permeia o Universo. Esse líquido possui pressão e viscosidade desprezíveis, responde à pressão de radiação, não colide com fótons ou matéria normal, nasceu frio e não relativista e se agrupa sob a influência de sua própria gravidade. Controla a formação das estruturas do Universo nas maiores escalas. É extremamente não homogêneo, e a magnitude de sua heterogeneidade aumenta com o tempo.



Aqui está o que podemos dizer sobre isso na maior escala - onde há observações. Em pequena escala, suspeitamos - mas não temos certeza - de que a matéria escura consiste em partículas com propriedades que a fazem se comportar em grande escala à medida que ela ocorre. Assumimos isso porque o Universo, tanto quanto sabemos, consiste simplesmente de partículas, e é isso! Se é matéria, se tem massa, também tem um duplo quântico - e em algum nível deve ser partículas. Mas até detectarmos diretamente essa partícula, não temos como rejeitar outra possibilidade - que a MT é um determinado campo que se comporta como um líquido, mas afeta o espaço-tempo da mesma maneira que os aglomerados de partículas.


As restrições experimentais sobre a matéria escura, consistindo em WIMPs , são extremamente rigorosas. A curva mais baixa exclui seções e massas da MT para tudo o que está localizado acima dela

Portanto, as tentativas de detectar diretamente a MT são muito importantes! Como teórico que escreveu seu doutorado sobre o tema da formação de estruturas de grande escala, entendo muito bem que podemos realizar muito no campo de previsão de observações em grandes escalas. Mas o que não podemos fazer teoricamente é dizer se a MT consiste em partículas ou não. A única maneira de verificar isso é detectá-lo diretamente; sem isso, evidências indiretas convincentes podem ser reunidas, mas não serão conclusivas. Aparentemente, não está de forma alguma conectada à energia escura, uma vez que a última é verdadeiramente uniforme em todo o espaço, e as previsões nos dizem com muita precisão como ela interage através da gravidade e outras interações em larga escala.


Os fluxos de matéria escura controlam o acúmulo de galáxias e a formação de estruturas em larga escala - isso pode ser visto nesta simulação de KIPAC / Stanford

Mas consiste em partículas? Até descobrirmos essa partícula, só podemos especular sobre ela. O universo demonstra sua essência quântica, pelo menos para todos os tipos de matéria, por isso é lógico supor que a matéria escura será a mesma. No entanto, deve-se lembrar que esse raciocínio tem suas limitações. Afinal, no final, tudo e em todos os lugares obedecem às mesmas regras, mas apenas até que elas deixem de obedecê-las! Com a MT, estamos em território desconhecido, e é muito importante manter a modéstia diante dos grandes mistérios do universo.