A matéria escura se comporta de acordo com as mesmas regras físicas da matéria comum? Esta questão continua a ser um dos maiores enigmas da cosmologia moderna, uma vez que esta forma invisível de matéria (que não emite nem reflete qualquer luz) permanece hipotética e extremamente difícil de estudar diretamente. Investigadores da Universidade de Genebra (UNIGE) e instituições colaboradoras pretendiam compreender se a matéria escura segue um comportamento familiar à maior escala, ou se outras forças podem influenciá-la. O seu estudo, publicado na Nature Communications, mostra que a matéria escura parece comportar-se de forma muito semelhante à matéria comum, embora ainda não possam excluir a possibilidade de interações adicionais, anteriormente desconhecidas. Dado que se pensa que a matéria escura é cinco vezes mais densa do que a matéria comum, mesmo uma pequena descoberta nova poderia ajudar a esclarecer o seu papel na formação do Universo.
A matéria comum é afetada por quatro forças fundamentais conhecidas: gravidade, eletromagnetismo e as forças fortes e fracas dentro dos átomos. A questão é se a matéria escura responde ao mesmo conjunto de forças. Embora a matéria escura seja invisível e difícil de detectar, ainda pode obedecer a estas leis familiares, ou pode ser influenciada por uma quinta força que os cientistas ainda não identificaram.
Estudando como a matéria escura viaja através de poços gravitacionais
Para explorar esta possibilidade, uma equipa liderada pela UNGE investigou se a matéria escura afunda em poços gravitacionais como a matéria comum em escalas cósmicas. Objetos enormes distorcem a estrutura do espaço para criar esses poços. A matéria comum – planetas, estrelas e galáxias – enquadra-se nela de acordo com princípios físicos estabelecidos, incluindo a teoria geral da relatividade de Einstein e as equações de Euler. A equipe queria saber se a matéria escura se comporta da mesma maneira previsível.
“Para responder a esta questão, comparámos as velocidades das galáxias em todo o Universo com a profundidade dos poços gravitacionais,” explica Camille Bonvin, professora associada do Departamento de Física Teórica da UNGE College of Science e co-autora do estudo. “Se a matéria escura não for afetada pela quinta força, então as galáxias compostas principalmente por matéria escura cairão nestes poços como matéria comum, governada apenas pela gravidade. Por outro lado, se uma quinta força atuar sobre a matéria escura, afetará o movimento das galáxias, e as galáxias cairão então nos poços de uma maneira diferente. Comparando a profundidade dos poços com a velocidade da galáxia, podemos testar a presença desta força.”
A matéria escura parece seguir a equação de Euler
Usando este método para analisar dados cosmológicos modernos, os investigadores descobriram que a matéria escura entra no poço gravitacional da mesma forma que a matéria comum, o que significa que é consistente com as equações de Euler. “Nesta fase, no entanto, estas conclusões não excluem a existência de uma força desconhecida”, disse Nastassia Grimm, primeira autora do estudo e ex-investigadora de pós-doutoramento no Departamento de Física Teórica da Faculdade de Ciências da UNGE, que recentemente ingressou no Instituto de Cosmologia e Gravitação da Universidade de Portsmouth. “Mas se existisse uma quinta força, ela não seria mais do que 7% tão forte quanto a gravidade, caso contrário, teria aparecido em nossa análise.”
Quais são os próximos passos na busca por uma nova física?
Estas primeiras descobertas representam um passo importante para melhorar a nossa compreensão da matéria escura. O próximo objetivo principal é determinar se a quinta força sutil realmente o afeta. Isaac Tutusaus, co-autor do estudo, investigador do ICE-CSIC e IEEC e professor associado do IRAP no Observatório Midi-Pyrénées da Universidade de Toulouse, conclui: “Os próximos dados das experiências mais recentes, como LSST e DESI, serão sensíveis a forças tão fracas como 2% da gravidade. Devem, portanto, permitir-nos aprender mais sobre o comportamento da matéria escura.”
