Uma galáxia-anã em formação, há cerca de 7 bilhões de anos. Estrelas em amarelado, gás em ciano e matéria escura em tons avermelhados. [imagem: Bourke e Duffy/International Centre for Radio Astronomy Research, via scienceillustrated.com.au]

Ela está por toda parte, permeando o universo. Mas não a enxergamos, não podemos tocá-la e assim não sabemos do que é feita. Dos efeitos sabemos: ela compõe aproximadamente 27% do Cosmos (a matéria ordinária só ocupa 5%), mantém as galáxias coesas e não interage com a luz. Por isso, e na falta de nome melhor, a chamamos de Matéria Escura.

Há três décadas, os melhores físicos do mundo tem quebrado a cabeça para entendê-la. Construímos aceleradores de partículas cada vez maiores para buscar partículas cada vez menores. Será que esse foi o caminho certo? Quem levanta a pergunta são dois jovens físicos teóricos e professores de Física de uma universidade da África do Sul.

Atualmente, dois modelos teóricos buscam explicar a Matéria Escura, ambos baseados na interação fraca: WIMPS e áxions. WIMPS (weakly interacting massive particles) são, como o próprio nome indica, partículas subatômicas massivas mas de interação fraca (caso do neutralino). Os áxions seriam partículas também de fraca interação, mas de massa ainda menor. Ou, em termos simples: pelo modelo WIMPS a matéria escura seria feita de partículas gordas; na hipotese dos áxions, as partículas escuras seriam magrelas.

Magrelas ou não, ambos os modelos dependem de partículas subatômicas muito exóticas, que ainda não foram observadas em aceleradores de partículas nem encontradas em laboratórios subterrâneos, ambos cada vez maiores. Será que não estamos vasculhando o canto errado do Cosmos? Glenn D. Starkman e David M. Jacobs acham que sim.

Em paper publicado em 13 de outubro no repositório on-line arxiv.org, eles sugerem que a Matéria Escura não seria assim tão exótica — seria feita de objetos macroscópicos, do tamanho de uma pepita de ouro a asteróides, mas densos como uma estrela de nêutrons ou o núcleo atômico. Recém-eleito fellow do Astrophysics, Cosmology and Gravity Centre da University of Cape Town, Jacobs concluiu em maio seu PhD. em Física na Case Western Reserve University (CWRU), onde leciona Física com o Prof. Starkman.

Os dois teóricos sul-africanos chamam seu modelo de Macro e consideram-no melhor porque pode potencialmente ser explicado a partir de arranjos de partículas do Modelo Padrão da Física de Partículas — ao contrário de WIMPS e áxions, que devem exigir uma nova Física para explicar a Matéria Escura. Jacobs e Starkman afirmam que sua teoria pode ser posta à prova em observações em determinados intervalos.

Eles admitem que WIMPS e áxions são bons candidatos a Matéria Escura, mas não veem razão para deixar de procurar explicações no macro, no outro extremo do Cosmos. “A comunidade meio que abandonou a ideia de que a matéria escura poderia ser feita de alguma coisa mais ou menos normal no fim dos anos 80”, observou Starkman ao Phys.org. “Nós perguntamos: será que isso foi totalmente correto? Como sabemos que não é material ordinário, material que poderia ser formado de quarks e elétrons?”

Vários foram os candidatos eliminados na busca pelo constituinte da Matéria Escura: subestrelas ou Jupiteres falidos, anãs brancas, estrelas de nêutrons, buracos-negros estelares, buracos-negros nos centros das galáxias e neutrinos supermassivos. Esses objetos são conhecidos como MACHOS (Massive Compact Halo Objects). Os cientistas só se voltaram para as partículas pequenas e exóticas por pura eliminação.

Starkman afirma que pode ter sido um equívoco precipitado saltar para o exotismo subnuclear. A matéria com características intermediárias entre o comum e o exótico — coisas aparentadas com estrelas de nêutrons ou grandes núcleos de partículas — foi simplesmente deixada de lado. “Nós dizemos que são aparentadas [com a matéria comum] porque provavelmente elas têm uma mistura considerável de quarks estranhos, que são feitos em aceleradores e ordinariamente têm vidas extremamente curtas”, disse Starkman. Ele ressalta que embora sejam altamente instáveis, quarks estranhos podem, em certas condições, ser como os nêutrons. Nêutrons também são naturalmente instáveis, mas no processo de fusão que forma o Hélio, o nêutron se estabiliza ao ser cercado de prótons [1].

“Isso abre a possibilidade de que matéria nuclear estranha e estável foi formada nos primórdios do universo e que a Matéria Escura nada mais é do que fragmentos de matéria nuclear estranha ou outros estados arranjados de quarks ou bárions, que são feitos de quarks”, conclui Starkman. Assim, com os Macros propostos por Starkman e Jacobs, a Matéria Escura se encaixaria no Modelo Padrão.

Pelos cálculos de Starkman e Jacobs, os Macros teriam que ser formados de matéria comum e quarks estranhos (ou bárions) antes do decaimento dos quarks estranhos (ou bárions), a uma temperatura acima de 3,5 trilhões de graus Celsius — mais ou menos a temperatura alcançada no núcleo de uma supernova massiva. Os quarks estranhos teriam que ser juntados com 90% de eficiência, o que deixaria apenas 10% de energia para formar os prótons e nêutrons encontrados no universo atualmente. Onde a coisa pesa é termos de massa, pois os físicos sul-africanos apresentam os seguintes limites de densidade para a Matéria Escura:

Macro Dark Matter

Figura 2. Sumário das restrições do modelo-independente. Comparada à Fig. 1, adicionamos em vermelho as restrições de femto- e micro-lensing tomadas de [36, 38, 40-43]. As linhas pretas e verdes correspondem aos objetos de densidade constante 1 g/cm3 e 3,6×10^14 g/cm3, respectivamente. Buracos-negros candidatos viáveis estão na linha magenta; objetos no interior da região sombreada no canto inferior direito não devem existir já que simplesmente seriam buracos-negros.

– um mínimo de 55 gramas/centímetros cúbicos. Se a matéria escura fosse menor, já teria sido observada em detectores do Skylab ou em traços encontrados em folhas de mica.

– um máximo de 10^24 (um milhão de bilhão de bilhão) de g/cm³. Acima disso, os Macros seriam tão grandes que curvariam a luz das estrelas, o que não se observa.

– o intervalo entre 10^17 e 10^20 g/cm³ devia ser desconsiderado. Nesse intervalo, a matéria escura produziria efeitos não observados em lentes gravitacionais, capazes de afetar cada fóton de uma emissão de raio gama.

Esses limites também explicariam porque a matéria escura ainda não foi encontrada na Terra. Se estiver na casa de 10^18 g/cm³, um Macro só acertaria a Terra a cada bilhão de anos, aproximadamente. Se estiver entre 10^9 g/cm³ e 10^18 g/cm³, as colisões seriam anuais, mas os traços seriam indistinguíveis nos detectores subterrâneos de matéria escura. Abaixo disso, as colisões seriam ainda mais frequentes, mas não deixariam rastro algum.

De certa forma, ainda estamos no escuro em relação à Matéria Escura.

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NOTA

[1] Outra possibilidade, talvez não citada no artigo de Starkman e Jacobs por (ainda) não ter sido confirmada no Modelo Padrão seria a partícula Majorana. Recém-descoberta, essa partícula é também sua anti-partícula e tem uma estabilidade neutra surpreendente. Mais sobre a Majorana, aqui.

Referência

JACOBS, David M. STARKMAN, Glenn D. Macro Dark Matter. arXiv.org > astro-ph > arXiv:1410.2236v2 [astro-ph.CO] (Submitted on 8 Oct 2014 (v1), last revised 13 Oct 2014 (this version, v2))

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