A matéria escura se comporta de acordo com as mesmas regras físicas que se aplicam à matéria comum? Essa pergunta continua sendo um dos principais enigmas da cosmologia moderna, uma vez que essa forma invisível de matéria (que não emite nem reflete luz) ainda é hipotética e extremamente difícil de estudar diretamente. Pesquisadores da Universidade de Genebra (UNIGE) e instituições colaboradoras se propuseram a investigar se a matéria escura segue um comportamento familiar em escalas grandes ou se outras forças podem influenciá-la. Seu estudo, publicado na Nature Communications, indica que a matéria escura parece agir de maneira muito semelhante à matéria comum, embora ainda não consigam descartar a possibilidade de uma interação adicional, ainda não conhecida. Como se pensa que a matéria escura é cinco vezes mais comum do que a matéria comum, até mesmo uma pequena nova visão ajuda a esclarecer seu papel na formação do Universo.
A matéria comum é afetada por quatro forças fundamentais conhecidas: gravidade, eletromagnetismo e as forças forte e fraca 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, ela pode ainda seguir essas leis familiares ou ser influenciada por uma quinta força que os cientistas ainda não identificaram.
Investigando como a matéria escura se move através de poços gravitacionais
Para explorar essa possibilidade, a equipe liderada pela UNIGE examinou se a matéria escura se desliza em poços gravitacionais da mesma forma que a matéria comum faz em escalas cósmicas. Objetos massivos distorcem a estrutura do espaço, formando esses poços. A matéria comum — planetas, estrelas e galáxias — cai neles de acordo com princípios físicos estabelecidos que incluem a relatividade geral de Einstein e as equações de Euler. A equipe queria saber se a matéria escura se comporta da mesma maneira previsível.
“Para responder a essa pergunta, comparamos 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 Faculdade de Ciências da UNIGE e co-autora do estudo. “Se a matéria escura não estiver sujeita a uma quinta força, então as galáxias — que são principalmente compostas por matéria escura — cairão nesses poços como a matéria comum, governadas exclusivamente pela gravidade. Por outro lado, se uma quinta força atuar sobre a matéria escura, isso influenciará o movimento das galáxias, que então cairiam nos poços de maneira diferente. Comparando a profundidade dos poços com as velocidades das galáxias, podemos, portanto, testar a presença de tal força.”
A matéria escura parece seguir as equações de Euler
Usando esse método em dados cosmológicos modernos, os pesquisadores descobriram que a matéria escura se move em poços gravitacionais da mesma maneira que a matéria comum, o que significa que é consistente com as equações de Euler. “Neste estágio, no entanto, essas conclusões ainda não descartam a presença de uma força desconhecida. Mas se uma quinta força existir, ela não pode exceder 7% da intensidade da gravidade — caso contrário, já teria aparecido em nossas análises”, afirma Nastassia Grimm, primeira autora do estudo e ex-pesquisadora de pós-doutorado do Departamento de Física Teórica da Faculdade de Ciências da UNIGE, que recentemente se juntou ao Instituto de Cosmologia e Gravitação da Universidade de Portsmouth.
O que vem a seguir na busca por nova física
Essas descobertas iniciais representam um passo importante para aprimorar nossa compreensão da matéria escura. O próximo objetivo chave é determinar se uma sutil quinta força realmente a afeta. “Dados futuros de novos experimentos, como LSST e DESI, serão sensíveis a forças tão fracas quanto 2% da gravidade. Portanto, eles devem nos permitir aprender ainda mais sobre o comportamento da matéria escura”, conclui Isaac Tutusaus, pesquisador do ICE-CSIC e IEEC e professor associado no IRAP, observatório Midi-Pyrénées, Universidade de Toulouse, co-autor do estudo.
