Décadas depois de ficar claro que o universo visível é construído sobre uma estrutura de matéria escura, ainda não sabemos o que realmente é a matéria escura. Em grandes escalas, uma variedade de evidências aponta para os chamados WIMPs: partículas massivas de interação fraca. Mas há uma variedade de detalhes que são difíceis de explicar com os WIMPs, e décadas de busca pelas partículas não resultaram em nada, deixando as pessoas abertas à ideia de que algo diferente de um WIMP é feito de matéria escura.

Um dos muitos candidatos é algo chamado axion, uma partícula portadora de força que foi proposta para resolver um problema em uma área não relacionada da física. Eles são muito mais leves que os WIMPs, mas têm outras propriedades consistentes com a matéria escura, o que manteve um baixo nível de interesse por eles. Agora, um novo artigo argumenta que existem características nas lentes gravitacionais (em grande parte um produto da matéria escura) que podem ser melhor explicadas por propriedades semelhantes aos áxions.

partícula ou onda?

Então, o que é um áxion? Em seu nível mais simples, é uma partícula muito leve sem rotação e atua como portadora de força. Eles foram originalmente propostos para garantir que a cromodinâmica quântica, que descreve o comportamento da força forte que une prótons e nêutrons, não quebre a conservação da paridade de carga. Muito trabalho foi feito para garantir que os eixos sejam compatíveis com outras estruturas teóricas, e algumas pesquisas foram feitas para tentar entendê-los. Mas os axions enfraqueceram principalmente como uma das várias soluções potenciais para um problema que ainda não descobrimos como resolver.

No entanto, eles atraíram algum interesse como possíveis soluções de matéria escura. Mas o comportamento da matéria escura é melhor explicado por uma partícula pesada – especificamente uma partícula massiva de interação fraca. Esperava-se que os áxions estivessem no lado mais leve e pudessem ser tão leves quanto neutrinos quase sem massa. Pesquisas em axions tendem a excluir também muitas massas pesadas, o que torna o problema ainda mais óbvio.

Mas os axions podem reaparecer, ou pelo menos permanecer estacionários enquanto os WIMPs se plantam. Vários detectores foram construídos para tentar identificar indicadores de interações fracas para WIMPs, e eles não funcionaram. Se os WIMPs forem partículas do Modelo Padrão, podemos inferir sua existência com base na massa perdida nos colisores de partículas. Nenhuma evidência disso foi mostrada. Isso levou as pessoas a reconsiderar se os WIMPs são a melhor solução para a matéria escura.

Em escalas cósmicas, os WIMPs continuam se ajustando muito bem aos dados. Mas quando você chega aos níveis de galáxias individuais, existem algumas anomalias que não funcionam bem, a menos que o halo de matéria escura ao redor de uma galáxia tenha uma estrutura complexa. Coisas semelhantes parecem verdadeiras quando você tenta mapear a matéria escura de galáxias individuais com base em sua capacidade de criar uma lente gravitacional que distorce o espaço para que ele amplie e distorça os objetos de fundo.

O novo trabalho tenta relacionar essas potenciais anomalias com a diferença entre as propriedades de WIMPS e axions. Como o próprio nome sugere, os WIMPs devem se comportar como partículas discretas, interagindo quase inteiramente por meio da gravidade. Por outro lado, os axions devem interagir uns com os outros por meio de interferência quântica, que cria padrões semelhantes a ondas em sua frequência em toda a galáxia. Assim, enquanto a frequência dos WIMPs deve diminuir suavemente com a distância do núcleo galáctico, os axions devem formar uma onda estacionária (tecnicamente, um sóliton) que aumenta sua frequência perto do núcleo galáctico. Além disso, padrões de interferência complexos devem criar regiões onde os eixos estão essencialmente ausentes e outras regiões onde estão presentes com o dobro da intensidade média.

Difícil de localizar

Com algumas possíveis exceções, a matéria escura compõe a maior parte da massa de uma galáxia. Diante disso, esses padrões de interferência devem fazer com que a atração gravitacional de diferentes regiões da galáxia seja desigual. Se as diferenças entre as regiões forem grandes o suficiente, isso provavelmente se manifestará como pequenos desvios no comportamento esperado das lentes gravitacionais. Portanto, os objetos atrás da galáxia ainda devem aparecer como imagens lenticulares; Pode não ser formado da maneira que esperamos ou exatamente no local que esperamos que seja.

A modelagem indica que essas aberrações são pequenas o suficiente para que nem mesmo o Telescópio Espacial Hubble tenha sido capaz de capturá-las. Mas pode ser possível detectá-los em comprimentos de onda de rádio, mesclando dados de radiotelescópios amplamente separados no que é essencialmente um telescópio gigante. (Essa abordagem permitiu que o Event Horizon Telescope criasse uma imagem de um buraco negro.)

E em pelo menos um caso, temos esses dados. HS 0810+2554 é uma enorme galáxia elíptica que se encontra entre nós e um buraco negro ativo no coração de outra galáxia. A lente gravitacional criada pela galáxia em primeiro plano cria quatro imagens da galáxia ativa, cada uma com um núcleo galáctico brilhante e dois grandes jatos de material que se estendem a partir dele. É possível comparar a localização e a distorção dessas quatro imagens com o que esperaríamos com base na presença de um halo típico de matéria escura na galáxia em primeiro plano.

É uma coisa relativamente simples de se fazer com os WIMPs, já que há apenas um padrão esperado: uma queda gradual nos níveis de matéria escura à medida que você se afasta do núcleo galáctico. As previsões de lentes com base nessa distribuição fazem um trabalho ruim ao combinar dados do mundo real de onde as imagens aparecem com as lentes das lentes.

O desafio é realizar a mesma análise com base nos padrões de interferência de axions caóticos: execute o modelo duas vezes com diferentes condições iniciais e você obterá um padrão de interferência diferente. Portanto, as chances de realmente conseguir aqueles na galáxia do mundo real fazendo as lentes são muito pequenas. Em vez disso, a equipe de pesquisa executou 75 modelos diferentes com condições iniciais escolhidas aleatoriamente. Por acidente, criei algumas dessas distorções semelhantes às observadas em dados do mundo real, geralmente afetando apenas uma das quatro imagens com uma lente. Portanto, os pesquisadores concluíram que as distorções nas imagens lenticulares são consistentes com um halo de matéria escura formado por interferência quântica de axions.

Então, eles são realmente axions?

Analisar uma única galáxia não será um golpe crítico em nada, e há muitos motivos para ser mais cuidadoso aqui. Por exemplo, os pesquisadores fizeram algumas suposições sobre a distribuição da matéria comum e visível na galáxia, que também tem influência gravitacional. Acredita-se que as galáxias elípticas sejam o resultado de fusões de galáxias menores, o que pode afetar a distribuição da matéria escura de maneiras sutis que são difíceis de detectar ao traçar a distribuição da matéria normal.

Finalmente, esse tipo de padrão de sobreposição funciona apenas para eixos excepcionalmente leves – da ordem de 10^-22 elétron-volt. Em contraste, a massa do próprio elétron é de cerca de 500.000 elétron-volts. Isso tornaria os axions muito mais leves do que os neutrinos.

Os próprios autores do novo artigo são cautelosos sobre as evidências aqui, concluindo seu artigo com a frase: “Determine se [WIMP- or axion-based dark matter] Reproduzir melhor as observações astrofísicas inclinaria a balança para uma das duas classes semelhantes de teorias da nova física. Mas sua cautela cai na última frase do resumo, onde eles escrevem, “Habilidade”. [axion-based dark matter] A resolução de anomalias de lente mesmo em casos desafiadores, como HS 0810+2554, juntamente com seu sucesso na reprodução de outras observações astrofísicas, inclinam a balança em direção a novos eixos invocados pela física. “

Veremos, sem dúvida em breve, se os físicos compartilham desses sentimentos além dos autores e revisores deste artigo.

Astronomia Natural, 2023. DOI: 10.1038/s41550-023-01943-9 (sobre DOIs).