Uma colaboração internacional de pesquisa utilizou simulações computacionais avançadas para investigar como sinais de rádio fracos do Universo primitivo, que em breve serão observados em missões do lado oculto da Lua, podem lançar luz sobre as propriedades fundamentais da matéria escura, segundo um novo estudo publicado na Nature Astronomy em 16 de setembro de 2025.
A matéria ordinária, que compõe as estrelas, planetas e tudo o que podemos ver, representa apenas cerca de 20% de toda a matéria do Universo. Os restantes 80% são considerados matéria escura: uma substância misteriosa que não emite, absorve ou reflete luz, e cuja verdadeira natureza continua sendo um dos maiores problemas não resolvidos da física moderna. Apesar de sua invisibilidade, sabe-se que a matéria escura desempenha um papel vital na formação de galáxias, como a Via Láctea, e na modelagem da estrutura em grande escala do Universo.
Uma das principais propriedades da matéria escura é a massa de suas partículas constituintes. Se essas partículas forem relativamente leves, como menos de cerca de 5% da massa do elétron, a matéria escura é considerada quente e inibiria a formação de estruturas menores que galáxias. No entanto, se as partículas forem mais pesadas, a matéria escura é classificada como fria, o que promoveria o crescimento de estruturas em menor escala.
Astrônomos há muito buscam determinar a massa das partículas de matéria escura estudando estruturas em pequena escala compostas de gás e estrelas, pois essa informação é crucial para os físicos de partículas desenvolverem modelos teóricos de matéria escura.
Um novo estudo liderado pelo pesquisador pós-doutoral Hyunbae Park, da Universidade de Tsukuba, que realizou esta pesquisa durante seu tempo como pesquisador do Projeto no Instituto Kavli de Física e Matemática do Universo da Universidade de Tóquio (Kavli IPMU, WPI), e incluindo o professor do Kavli IPMU e cientista visitante do Instituto Max Planck de Astrofísica, Naoki Yoshida, focou em pequenas nuvens de gás que existiram durante as Idades das Trevas cósmicas, os primeiros 100 milhões de anos após o Big Bang, antes da formação de estrelas e galáxias. Devido à complexidade e aos processos mal compreendidos que envolvem a formação e evolução de estrelas e galáxias, simular com precisão seu comportamento continua sendo um grande desafio na astrofísica computacional moderna. Ao focar em uma era anterior ao surgimento dessas complexidades, os pesquisadores conseguiram simular estruturas cósmicas primordiais com precisão sem precedentes.
Os resultados da simulação revelaram como o gás esfriou gradualmente à medida que o Universo se expandia, desenvolvendo pequenos aglomerados de gás através da interação gravitacional com a matéria escura durante as Idades das Trevas. O gás nesses aglomerados tornou-se muito mais denso do que na média do Universo e aqueceu devido à compressão. Essa variação de densidade e temperatura ficou impressa na emissão de rádio de 21 centímetros dos átomos de hidrogênio. A equipe modelou esse sinal antigo das nuvens de gás primordiais e descobriu que sua intensidade média no céu depende sensivelmente de se a matéria escura é quente ou fria. Segundo os pesquisadores, essa diferença poderia permitir que experimentos lunares futuros distinguissem entre cenários concorrentes de matéria escura.
O sinal das Idades das Trevas deve aparecer em frequências em torno de 50 MHz ou inferiores, com uma modulação de frequência característica, e a diferença entre os dois cenários de matéria escura é inferior a um mili-kelvin na temperatura de brilho. Essas frequências são fortemente contaminadas por sinais artificiais na Terra e ainda mais obscurecidas pela ionosfera, tornando praticamente impossível detectar o sinal de observatórios baseados na Terra. Em contraste, o lado oculto da Lua oferece um ambiente de rádio silencioso, protegido de interferências terrestres, e é considerado um local ideal para detectar o elusivo sinal das Idades das Trevas.
Embora a construção de observatórios de rádio na Lua apresente grandes desafios tecnológicos e financeiros, um número crescente de nações está buscando tais missões como parte da nova corrida espacial, combinando ambição científica com avanço tecnológico. Com esse crescente ímpeto internacional, agora se considera viável determinar a massa das partículas de matéria escura por meio de observações lunares nas próximas décadas. Entre essas nações, o Japão está ativamente desenvolvendo o projeto Tsukuyomi, que planeja implantar antenas de rádio na Lua.
A pesquisa da equipe fornece orientações teóricas essenciais para essas missões futuras, a fim de maximizar seu retorno científico.
