Ainda não conseguimos ver a matéria escura. Mas e se pudermos ouvi-lo?

A matéria mais misteriosa e ainda assim onipresente no cosmos, a matéria escura é efetivamente invisível. Isso ocorre simplesmente porque ele não interage com a luz. Mas e se, em vez de tentarem ver a matéria escura, os cientistas tentassem ouvi-la?

Uma nova pesquisa sugere que a matéria escura pode deixar uma marca minúscula, mas discernível, na cacofonia de ondulações no espaço-tempo chamada “ondas gravitacionais“que ressoam pelo cosmos quando dois buracos negros batam juntos e se fundam. No entanto, isso só acontecerá se os buracos negros giratórios puderem “agitar” matéria escura como manteiga cósmica. (Falaremos disso em breve.)

A equipa responsável por esta nova investigação sugere que se dois buracos negros se fundirem numa região do espaço povoada por densas nuvens de matéria escura, então as ondas gravitacionais emergentes do evento poderão levar a marca da matéria escura por todo o Universo. E é possível, dizem eles, que os nossos detectores encontrem essa impressão. Isso seria semelhante a alguém tossindo em um show do Metallica, e essa tosse só seria discernível diante da fúria de “Seek and Destroy” ou “Master of Puppets” com os instrumentos mais sensíveis.

Felizmente, quando se trata de detectar ondas gravitacionais provenientes da colisão de buracos negros, os instrumentos da humanidade, como o LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), estão ficando cada vez mais sensíveis. E em preparação para uma época em que tais impressões poderão ser registadas ainda mais facilmente nos dados de ondas gravitacionais, esta equipa desenvolveu um método que prevê exatamente a forma que uma onda gravitacional deve assumir ao mover-se através da matéria escura, em vez do espaço vazio.

“Usar buracos negros para procurar matéria escura seria fantástico”, disse o membro da equipe Rodrigo Vicente, pesquisador do GRAPPA (Gravitation Astroparticle Physics Amsterdam). disse em um comunicado. “Seríamos capazes de sondar a matéria escura em escalas muito menores do que nunca.”

Não acredito que não é manteiga

A matéria escura representa um grande enigma porque, apesar de ser invisível para nós, ainda “supera” a matéria comum numa proporção de cerca de cinco para um.

A sua falta de interacção com a luz significa que não pode ser composto por protões, neutrões e electrões – as partículas que compõem os átomos. Isso ocorre porque os átomos compõem toda a “matéria comum” que vemos ao nosso redor, desde estrelas e planetas até o dispositivo no qual você está lendo este artigo e nossos próprios corpos. Em outras palavras, átomos fazer interagir com a luz (mais tecnicamente, radiação eletromagnética). Na verdade, a única forma de os astrónomos saberem que a matéria escura existe é através da sua interação com a gravidade e a forma como esta interação curva o espaço-tempo, influenciando indiretamente a matéria e a luz comuns.

Modelo Padrão de Física de Partículas isso poderia explicar a matéria escura. Essas partículas têm uma ampla gama de massas e propriedades potenciais, sendo uma partícula hipotética o “escalar de luz” proposto como tendo uma massa muito menor que a de um elétron. Uma característica do escalar de luz seria o fato de que a matéria escura composta por essas partículas agiria como ondas coordenadas em torno dos buracos negros.

Uma ilustração de redemoinhos azuis e vermelhos com uma bolha rosa no meio.

As ondas gravitacionais (ondas azuis e vermelhas) carregam impressões de qualquer matéria escura (roxo claro) através da qual dois buracos negros em fusão passam em espiral. (Crédito da imagem: Josu Aurrekoetxea, et al)

Em torno de um buraco negro giratório, a energia rotacional seria transferida para a matéria escura escalar leve, amplificando a sua densidade, quase como uma pá transformando creme em manteiga. Se esta “manteiga” de matéria escura ficar densa o suficiente, poderá afetar as ondas gravitacionais da fusão de buracos negros, deixando uma marca reveladora.

Depois de determinar como seria esta assinatura, Vicente e colegas pesquisaram dados recolhidos pelo LIGO e pelos seus colegas detectores de ondas gravitacionais, KAGRA (Kamioka Gravitational Wave Detector) e Virgo, concentrando-se em 28 dos sinais mais claros da fusão de buracos negros. Destes, 27 pareciam ter vindo de fusões que ocorreram no vácuo relativo do espaço. Um sinal, no entanto, GW190728, ouvido pela primeira vez em 19 de julho de 2019, e o resultado da fusão de buracos negros binários com uma massa combinada de 20 vezes a do Sol e localizados a cerca de 8 mil milhões de anos-luz de distância, parecia transportar o traço revelador desta fusão ocorrendo numa região de matéria escura densa e “amanteigada”.

A equipe por trás desta pesquisa é rápida em apontar que isso não pode ser considerado uma detecção positiva de matéria escura, mas diz que nos dá uma dica sobre o que procurar e, portanto, para onde direcionar as investigações de acompanhamento – algo que poderia ser cada vez mais útil como detectores de matéria escura em Terra continue em sua quinta execução operacional com sensibilidade aprimorada.

“Sabemos que a matéria escura está à nossa volta. Só tem de ser suficientemente densa para podermos ver os seus efeitos,” disse o líder da equipa, Josu Aurrekoetxea, do Departamento de Física do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT). “Os buracos negros fornecem um mecanismo para aumentar esta densidade, que podemos agora procurar analisando as ondas gravitacionais emitidas quando se fundem.”