Uma investigação recente sobre o Universo primordial, coordenada pelo Centro Nacional de Investigação Nuclear da Polónia, concluiu que poderá existir uma ligação entre dois dos ingredientes mais esquivos do cosmos.
Ao cruzar diferentes tipos de observações, os cosmólogos verificaram que os dados ficam mais bem explicados se os neutrinos - também conhecidos como “partículas fantasma” - tiverem uma interacção fraca com a matéria escura.
A evidência surge com uma significância estatística de três sigma: não é suficiente para ser definitiva, mas é demasiado consistente para ser descartada como simples ruído.
Uma possível extensão do Modelo Cosmológico Padrão
Se esta leitura estiver correcta, abre-se espaço para uma pequena ampliação do Modelo Cosmológico Padrão. Em vez de assumir que a matéria escura é totalmente sem colisões, o cenário passaria a admitir um espalhamento ténue entre neutrinos e matéria escura.
Esta hipótese é particularmente relevante porque ambos são componentes do Universo que, por regra, quase não “dão por” nada - e, ainda assim, influenciam profundamente a evolução cósmica.
Neutrinos e matéria escura: omnipresentes, mas quase invisíveis
Os neutrinos estão entre as partículas mais abundantes do Universo. Formam-se em grandes quantidades em situações de elevada energia, como explosões de supernovas e a fusão nuclear no interior das estrelas - por isso, encontram-se praticamente em todo o lado.
Apesar dessa abundância, têm carga eléctrica nula, uma massa extremamente pequena e interagem muito pouco com as partículas que atravessam. Neste exacto momento, centenas de milhares de milhões de neutrinos estão a passar pelo seu corpo. Só ocasionalmente um neutrino colide com outra partícula, gerando um “chuveiro” de produtos de decaimento e fotões que exige detectores especializados instalados no subsolo para ser observado.
A matéria escura, por sua vez, não parece interagir com a matéria comum de forma mensurável, excepto através da gravidade. As melhores provas da sua existência vêm de efeitos gravitacionais - como as velocidades de rotação das galáxias e a curvatura do espaço-tempo - que não se explicam apenas com matéria normal. Esses indícios apontam para que cerca de 85% da matéria do Universo seja composta por matéria “escura”, invisível aos nossos instrumentos.
Interacções entre neutrinos e matéria escura: de hipótese antiga a teste observacional
A ideia de que estas duas entidades altamente evasivas possam interagir não é nova. Desde o início dos anos 2000 que surgem trabalhos a sugerir que poderia haver “contactos” entre elas por vias ainda não detectadas.
Nos últimos anos, vários artigos apresentaram sinais preliminares - ainda que cautelosos - de interacções neutrino–matéria escura. O novo estudo, liderado pelo físico Lei Zu (que desenvolveu o trabalho no Centro Nacional de Investigação Nuclear da Polónia e actualmente está no Observatório Astronómico Nacional do Japão), procurou empurrar a questão para lá do domínio puramente teórico, com o objectivo de enfrentar um dos problemas mais discutidos da cosmologia actual.
O “conflito” entre o Universo antigo e o Universo recente
A dificuldade torna-se evidente quando comparamos “fotografias” do Universo jovem - representadas pelo fundo cósmico de micro-ondas (CMB) e pelas oscilações acústicas de bárions (BAO) - com medições do Universo mais recente.
O CMB é o remanescente da primeira luz que passou a viajar livremente pelo cosmos cerca de 380 000 anos após o Big Bang. Já as BAO são estruturas de grande escala associadas a uma onda acústica que se propagou pelo Universo primordial e ficou “congelada” quando o meio por onde se deslocava se tornou demasiado difuso para a sustentar.
Quando projectamos (extrapolamos) o que CMB e BAO indicam até à idade actual do Universo - cerca de 13,8 mil milhões de anos - usando o Modelo Cosmológico Padrão, o resultado é um cosmos mais “grumoso” (com mais aglomeração de matéria) do que aquele que observamos efectivamente à nossa volta.
Segundo a cosmóloga Eleonora Di Valentino, da Universidade de Sheffield (Reino Unido), esta discrepância não prova que o modelo esteja errado, mas pode indicar que lhe falta alguma peça: de acordo com a equipa, permitir interacções entre matéria escura e neutrinos pode reduzir a diferença e oferecer pistas novas sobre a formação de estruturas no Universo.
Como os investigadores testaram o espalhamento neutrino–matéria escura
Para avaliar esta possibilidade, os autores reuniram um dos conjuntos combinados de dados mais abrangentes até agora para confrontar o Universo antigo e o Universo tardio no mesmo enquadramento. O pacote incluiu:
- Duas medições independentes do CMB
- Três conjuntos de dados de BAO
- Observações do Levantamento da Energia Escura (um programa em curso que mapeia a distribuição de matéria e energia no céu)
Em seguida, executaram simulações cosmológicas para cada conjunto de dados de CMB e BAO de forma isolada e, depois, em combinação. A diferença essencial foi acrescentar um ingrediente extra às simulações: interacções de espalhamento entre neutrinos e matéria escura.
Os resultados mostraram uma preferência ligeira por espalhamento quando se analisavam os conjuntos individualmente, produzindo um Universo simulado mais semelhante ao que vemos hoje do que o cenário sem interacções. Contudo, ao combinar todos os dados, essa preferência tornou-se muito mais marcada, atingindo três sigma.
Esta significância continua longe de ser conclusiva, mas está alinhada com indícios anteriores e é suficiente para justificar um escrutínio mais profundo.
O que mudaria se a interacção fosse confirmada
Para o físico teórico e cosmólogo William Giarè, da Universidade do Havai (e anteriormente na Universidade de Sheffield), uma confirmação deste efeito representaria um avanço fundamental. Na prática, poderia simultaneamente:
- Esclarecer uma incompatibilidade persistente entre diferentes “sondas” cosmológicas
- Dar aos físicos de partículas uma orientação concreta sobre que propriedades procurar em experiências laboratoriais, aproximando-nos de identificar a verdadeira natureza da matéria escura
O peso do “se” permanece enorme - mas a persistência destas tensões torna esta linha de investigação particularmente apelativa.
Para onde pode ir a seguir: observações e experiências complementares
Um próximo passo natural é testar este cenário com medições ainda mais precisas da distribuição de matéria em grande escala, combinando mapas cósmicos e lentes gravitacionais fracas obtidos por missões e levantamentos de nova geração, como a missão Euclid e o Observatório Vera C. Rubin. Quanto melhor se medir como a matéria se agrega ao longo do tempo, mais apertado fica o cerco a possíveis interacções subtis entre componentes “invisíveis”.
Em paralelo, a confirmação indireta por cosmologia pode ajudar a refinar o que se procura em detectores de neutrinos e em experiências de física de partículas. Embora o efeito proposto seja extremamente fraco, a convergência entre observações astronómicas, simulações e medições laboratoriais será crucial para distinguir uma verdadeira nova física de ajustes estatísticos ou de simplificações usadas nos modelos.
O que falta para tornar o resultado mais sólido
De acordo com o físico teórico Sebastian Trojanowski, do Centro Nacional de Investigação Nuclear da Polónia, explicar e testar de forma rigorosa um efeito tão claro exige ir além das aproximações habituais na cosmologia de partículas - um trabalho que deverá ser desenvolvido em investigações futuras.
Os resultados foram publicados na Nature Astronomia.
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