Como as partículas de matéria escura podem confirmar a criação cósmica

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por Hugh Ross

29 de maio de 2023

Um dos desafios apresentados contra o modelo biblicamente previsto de criação do big bang [1] é a seguinte pergunta: por que os cientistas não foram capazes de detectar as partículas de matéria escura que são um componente tão crucial dos modelos padrão do big bang? De fato, os modelos afirmam que 85% da massa do universo é composta de matéria escura. Como podemos ter confiança no modelo do big bang se não conseguimos encontrar esses 85%?

A resposta dos astrônomos e físicos é que as partículas de matéria escura, independentemente de quantas existam, por sua própria natureza, serão extraordinariamente difíceis de detectar. Ao contrário da matéria comum, que é composta quase inteiramente de prótons, nêutrons e elétrons, a matéria escura não interage com a luz (fótons) ou interage com a luz de forma extremamente fraca. Devido a essa interação muito fraca ou inexistente, a matéria escura não emite, absorve ou reflete a luz, o que torna as partículas de matéria escura quase impossíveis de detectar. 

Detecção e medições de matéria escura

Apesar do fato de que astrônomos e físicos não tiveram sucesso em suas tentativas de detectar partículas de matéria escura, eles estão convencidos de que a matéria escura existe. A razão é que os astrônomos observam os efeitos da gravidade da matéria escura no comportamento de galáxias e aglomerados de galáxias. Eles observam que a estrutura e a estabilidade de longo prazo das galáxias só podem ser explicadas se as galáxias estiverem cercadas por enormes halos de matéria que interagem muito fracamente ou não interagem com a luz. A Figura 1 mostra o halo de matéria escura inferido que envolve nossa Via Láctea (MWG). A matéria escura compõe cerca de 90% da massa total da MWG.

Figura 1: Halo de Matéria Escura da Galáxia da Via Láctea e Disco Estelar
A protuberância estelar central e o disco estelar são mostrados em preto. O disco fino de gás aparece em cinza claro. A área cinza escura muito maior representa o halo da matéria escura. (Crédito: Hugh Ross, encontrada em RTB)
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Os astrônomos também observam os efeitos da matéria escura em mapas da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, também conhecida como a radiação remanescente do evento de criação cósmica. Esses mapas fornecem a medida mais precisa da quantidade total de matéria escura no universo. Eles revelam que a matéria escura compreende 85% da massa total do universo. [2]

Busca para encontrar partículas de matéria escura

Avanços recentes em cosmologia e física de partículas afirmam que o modelo de criação cósmica que melhor se adapta às observações astronômicas é totalmente compatível com o modelo de criação de partículas que melhor se ajusta aos resultados dos experimentos com aceleradores de partículas. Contudo, modelos de partícula e criação cósmica significativamente mais detalhados e abrangentes exigiriam a descoberta e determinação das propriedades das partículas de matéria escura. Consequentemente, tanto para os astrônomos quanto para os físicos, o objetivo de descobrir e medir as partículas de matéria escura tornou-se a busca do “santo graal”. 

Os dois principais candidatos hipotéticos para partículas de matéria escura são partículas de alta massa chamadas partículas massivas de interação fraca (WIMPs) e partículas de massa extremamente baixa chamadas áxions. (Além disso, os físicos demonstraram sua experiência em marketing registrando o termo WIMPs para lucrar com qualquer fabricante que deseje chamar qualquer um de seus produtos de WIMP!) 

A enorme diferença de massa entre um WIMP e um áxion implica que os WIMPs se comportarão predominantemente como partículas discretas em vez de ondas, enquanto os áxions se comportarão predominantemente como ondas e não como partículas discretas. Uma equipe de astrônomos liderada por Alfred Amruth tentou usar essa distinção para avançar na busca de descobrir quais partículas compõem a matéria escura. [3]

De acordo com a teoria da relatividade geral de Einstein, a gravidade de um objeto massivo irá curvar a luz em torno de si mesmo. Desde 1919, os astrônomos rotineiramente confirmam essa previsão da relatividade geral observando a curvatura da luz das estrelas passando perto do disco solar durante os eclipses solares. Agora, os astrônomos estão aproveitando essa lente gravitacional para detectar galáxias e quasares muito distantes diretamente atrás de uma galáxia ou aglomerado de galáxias em primeiro plano. Se a galáxia ou quasar distante estiver alinhado perfeitamente atrás de uma galáxia em primeiro plano, sua imagem será espalhada em um círculo – o que os astrônomos chamam de anel de Einstein. A Figura 2 mostra um exemplo de lentes gravitacionais quase perfeitamente alinhadas de uma galáxia distante em uma imagem de anel de Einstein.

Figura 2: Lente Gravitacional de uma galáxia distante em um Anel de Einstein
Lente Gravitacional LRG 3-757. (Crédito: NASA/ESA/Telescópio Espacial Hubble, encontrada em RTB)
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Amruth e seus colegas desenvolveram vários modelos teóricos para determinar as diferentes maneiras pelas quais as imagens gravitacionalmente ampliadas de galáxias/quasares distantes seriam distorcidas se a matéria escura (que eles sabem ser responsável pela maioria dos fenômenos de lente) fosse composta predominantemente de WIMPs ou de áxions. Eles então examinaram imagens de galáxias reais com lentes gravitacionais para ver se WIMPs ou áxions explicavam melhor as características observadas das galáxias/quasares com lentes.

O teste mais definitivo em sua amostra foi a lente gravitacional em torno da galáxia HS 0810+2554 em primeiro plano. [4] Como, todavia, o alinhamento não era perfeito, os astrônomos observaram quatro pontos brilhantes em vez de um anel de Einstein ao redor da galáxia em primeiro plano. O quasar distante observado por meio da lente gravitacional de HS 0810+2554 manifesta intensidade de luz variável. Portanto, os astrônomos observaram múltiplas imagens distintas desse quasar (veja a figura 3).

Figura 3: Três observações em tempos diferentes de um quasar obtidas pela lente gravitacional de HS 0810+2554
A barra de escala na parte inferior direita de cada imagem é de 1 segundo de arco. (Crédito: iweb.cfa.harvard.edu, encontrada em RTB)
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Em toda a sua amostra de imagens de quasares distantes obtidas por lente gravitacional, a equipe de Amruth notou que as imagens previstas por seus modelos WIMP não correspondiam às imagens reais. Entretanto, as imagens preditas por seus modelos áxion reproduziram com precisão as imagens, especialmente as de HS 0810+2554. Em particular, eles demonstraram que as anomalias de brilho e posição das imagens gravitacionalmente ampliadas pela galáxia em primeiro plano são bem explicadas se o halo de matéria escura ao redor da galáxia for dominado por áxions de massa (com uma precisão de dez vezes) = 10-22 elétron-volts (para comparação, a massa de um próton = 928 milhões de elétron-volts). Amruth e seus colegas também estabeleceram que um halo de matéria escura ao redor de HS 0810+2554 dominado por WIMPs falha em explicar as características observadas das imagens gravitacionalmente ampliadas pela galáxia. Consequentemente, a equipe de pesquisa concluiu que os áxions são candidatos muito mais prováveis do que os WIMPs a serem a partícula de matéria escura predominante no universo. 

Esta pesquisa é a evidência mais forte até o momento que favorece os áxions como a partícula dominante de matéria escura. No entanto, não é a  única evidência a favor dos áxions. Os modelos de partículas de matéria escura áxion e WIMP preveem diferentes tipos e populações de galáxias anãs no universo. Os modelos WIMP preveem que os halos de matéria escura aumentarão dramaticamente, em número, em direção a massas menores, com números caindo para zero em uma massa de halo de matéria escura de 1.000 massas solares. Os modelos áxion preveem que o número de halos de matéria escura será cada vez mais suprimido abaixo de massas de cerca de um bilhão de vezes a massa do Sol, assumindo uma massa áxion de 10-22 elétron-volts. [5] A massa onde ocorre a supressão dos halos de matéria escura é aproximadamente proporcional à massa do áxion.

A contagem do número de galáxias anãs de baixa massa no Grupo Local favorece os modelos áxion sobre os modelos WIMP. Da mesma forma, a abundância observada de galáxias de baixa luminosidade em altos desvios para o vermelho (grandes distâncias cosmológicas) favorece os modelos áxion e desfavorece fortemente os modelos WIMP. [6] Os modelos áxion também explicam por que as galáxias anãs não exibem cúspides, [7] uma característica que os modelos WIMP podem explicar apenas apelando para o feedback da formação estelar. Os modelos áxion, ao contrário dos modelos WIMP, podem explicar a dispersão da velocidade estelar de DF44, uma galáxia anã ultradifusa. [8]

Os astrônomos agora possuem o poder do telescópio para observar a estrutura do universo nas maiores escalas de tamanho. As observações realizadas até o momento revelam uma estrutura em grande escala do universo que se encaixa no modelo que sustenta que a matéria escura do universo é composta predominantemente de áxions. [9] Os astrônomos também observaram estrelas anãs brancas onde as anãs brancas estão esfriando a taxas mais rápidas do que a termodinâmica poderia prever. O resfriamento adicional pode ser explicado se existir um grande número de áxions nas estrelas anãs brancas e se alguns desses áxions estiverem escapando ou decaindo. [10]

Amruth e sua equipe concluíram seu artigo observando que grandes pesquisas de lentes gravitacionais estão em andamento. O banco de dados de imagens de lentes gravitacionais bem observadas de quasares distantes aumentará exponencialmente nos próximos anos. Tal banco de dados poderia não apenas estabelecer definitivamente os áxions como a partícula de matéria escura predominante, mas também fornecer uma medida precisa da massa do áxion. Enquanto isso, experimentos de laboratório para detectar áxions estão em andamento e experimentos mais sensíveis estão sendo propostos e desenvolvidos. [11]

Implicações filosóficas

A pesquisa realizada por Amruth e seus companheiros traz implicações significativas. Ele dissipa a alegação de que os cientistas nunca detectarão partículas de matéria escura e remove qualquer dúvida razoável sobre a existência da matéria escura. Ele também fornece ainda mais evidências científicas em apoio ao modelo biblicamente previsto da criação do big bang. Já forneceu um modelo mais detalhado e abrangente para a origem e história do universo e para a origem e história das partículas fundamentais do universo. 

Esse trabalho mostra o caminho da pesquisa para desenvolver modelos cósmicos e de criação de partículas cada vez mais detalhados e abrangentes. Podemos todos aguardar os resultados. Mais uma vez, o avanço científico afirma o Salmo 19:1: “Os céus declaram a glória de Deus.”

Notas de fim

1. Hugh Ross, “What Does the Bible Say about the Big Bang?” Today’s New Reason to Believe (blog), Reasons to Believe, 6 de fevereiro de 2023.
2. G. Hinshaw et al., “Nine-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Cosmological Parameter Results”, Astrophysical Journal Supplement 208, n.º 2 (outubro de 2013): id. 19, 5–11, doi:10.1088/0067-0049/208/2/19; P. A. R. Ade et al., Planck Collaboration, “Planck 2015 Results. XIII. Cosmological Parameters”, Astronomy & Astrophysics 594 (outubro de 2016): id. A13, 1, doi:10.1051/0004-6361/20152583; David N. Spergel, Raphael Flauger e Renée Hložek, “Planck Data Reconsidered”, Physical Review D 91 (27 de janeiro de 2015): id. 023518, 1, doi:10.1103/PhysRevD.91.023518.
3. Alfred Amruth et al., “Einstein Rings Modulated by Wavelike Dark Matter from Anomalies in Gravitationally Lensed Images”, Nature Astronomy (20 de abril de 2023), doi:10.1038/s41550-023-01943-9.
4. Neal Jackson et al., “Observations of Radio-Quiet Quasars at 10-mas Resolution by Use of Gravitational Lensing”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 454, n.º 1 (November 2015): 287–298, doi:10.1093/mnras/stv1982.
5. Lam Hui et al., “Ultralight Scalars as Cosmological Dark Matter”, Physical Review D 95, no. 4 (15 de fevereiro de 2017): id. 043541, doi:10.1103/PhysRevD.95.043541.
6. Enoch Leung et al., “Magnification Bias of Distant Galaxies in the Hubble Frontier Fields: Testing Wave Versus Particle Dark Matter Predictions”, Astrophysical Journal 862, n.º 2 (1º de agosto de 2018): id. 156, doi:10.3847/1538-4357/aacdad.
7. Tom Broadhurst et al., “Ghostly Galaxies as Solitons of Bose-Einstein Dark Matter”, Physical Review D 101, n.º 8 (15 de abril de 2020): id. 083012, doi:10.1103/PhysRevD.101.083012.
8. Alvaro Pozo et al., “Detection of a Universal Core-Halo Transition in Dwarf Galaxies as Predicted by Bose-Einstein Dark Matter”, (17 de dezembro de 2021), preprint arXiv:2010.10337.
9. Hsi-Yu Schive, Tzihong Chiueh, and Tom Broadhurst, “Cosmic Structure as the Quantum Interference of a Coherent Dark Wave”, Nature Physics 10 (julho de 2014): 496–499, doi:10.1038/nphys2996.
10. J. Isern et al., “Axions and the Luminosity Function of White Dwarfs: The Thin and Thick Discs, and the Halo”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 478, n.º 2 (agosto de 2018): 2569–2575, doi:10.1093/mnras/sty1162; J. Isern et al., “Axions and the Pulsation Periods of Variable White Dwarfs Revisited”, Astronomy & Astrophysics 512 (março de 2010): id. A86, doi:10.1051/0004-6361/200913716; J. Isern et al., “Axions and the Cooling of White Dwarf Stars”, Astrophysical Journal Letters 682, n.º 2 (1º de agosto de 2008): L109–L112, doi:10.1086/591042; Jordi Isern, “White Dwarfs as Advanced Physics Laboratories. The Axion Case”, em White Dwarfs as Probes of Fundamental Physics: Tracers of Planetary, Stellar e Galactic Evolution, editado por Martin A. Barstow et al., Proceedings of the International Astronomical Union 357 (9 de outubro de 2020): 138–153, doi:10.1017/S1743921320000873. 
11. Yannis K. Semertzidis and Sungwoo Youn, “Axion Dark Matter: How to See It?” Science Advances 8, n.º 8 (23 de fevereiro de 2022): id. abm9928, doi:10.1126/sciadv.abm9928.

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Traduzido de How Dark Matter Particles Can Confirm Cosmic Creation

Etiquetas:

criacionismo (progressivo) da Terra velha - astronomia - criação de Deus