Décadas depois que ficou claro que o universo visível é construído sobre uma estrutura de matéria escura, ainda não sabemos o que realmente é a matéria escura. Em grande escala, uma riqueza de evidências aponta para os chamados WIMPs: partículas massivas de interação fraca. Mas há muitos detalhes que são difíceis de explicar usando WIMPs, e décadas de busca pelas partículas não revelaram nada, deixando as pessoas abertas à ideia de que qualquer coisa além de um WIMP contém matéria escura.

Um dos muitos candidatos é o chamado axion, uma partícula portadora de força que foi proposta para resolver um problema em um campo não relacionado da física. Eles são muito mais leves que os WIMPs, mas têm outras propriedades consistentes com a matéria escura, que tem um baixo interesse por eles. Agora, um novo artigo argumenta que existem características em uma lente gravitacional (em grande parte o produto da matéria escura) que são melhor explicadas por propriedades do tipo axion.

partícula ou onda?

Então, o que é um áxion? No nível mais simples, é uma partícula extremamente leve e sem spin que atua como portadora de força. Eles foram originalmente propostos para garantir que a cromodinâmica quântica, que descreve o comportamento da força forte que mantém prótons e nêutrons juntos, não quebre a conservação da paridade de carga. Muito trabalho foi feito para garantir que os axions sejam compatíveis com outras estruturas teóricas e algumas pesquisas foram feitas para tentar descobri-los. Mas os axions sofreram principalmente como uma das várias soluções possíveis para um problema para o qual ainda não encontramos uma solução.

No entanto, eles atraíram a atenção como possíveis soluções para a matéria escura. Mas o comportamento da matéria escura foi melhor explicado em termos de uma partícula pesada – especificamente uma partícula massiva de interação fraca. Esperava-se que os áxions estivessem no lado mais leve, possivelmente tão leves quanto o neutrino quase sem massa. A busca por áxions também tendia a descartar muitas das massas mais pesadas, tornando o problema ainda mais aparente.

Mas os axions podem voltar, ou pelo menos se manter firmes enquanto os WIMPs ficam de cara no chão. Vários detectores foram construídos para tentar capturar evidências das interações fracas dos WIMPs e não funcionaram. Se os WIMPs fossem partículas do Modelo Padrão, poderíamos ter inferido sua presença com base na falta de massa nos aceleradores de partículas. Não há evidencia disso. Isso levou as pessoas a reconsiderar se os WIMPs são a melhor solução para a matéria escura.

Em uma escala cosmológica, os WIMPs continuam a se ajustar muito bem aos dados. Mas quando você chega aos níveis de galáxias individuais, existem algumas esquisitices que não funcionam tão bem, a menos que o halo de matéria escura ao redor de uma galáxia tenha uma estrutura intrincada. Coisas semelhantes parecem ser verdadeiras ao tentar mapear a matéria escura de galáxias individuais com base em sua capacidade de produzir lentes gravitacionais, que distorcem o espaço, fazendo com que os objetos de fundo se tornem ampliados e distorcidos.

O novo trabalho tenta relacionar essas esquisitices potenciais a uma diferença entre as propriedades de WIMPS e axions. Como o nome sugere, os WIMPs devem se comportar como partículas discretas, interagindo quase inteiramente por meio da gravidade. Em contraste, os axions devem interagir uns com os outros por meio de interferência quântica e criar padrões semelhantes a ondas em sua frequência em uma galáxia. Assim, enquanto a frequência dos WIMPs deve diminuir suavemente com a distância do núcleo de uma galáxia, os axions devem formar uma onda estacionária (tecnicamente um soliton) que aumenta de frequência perto do núcleo galáctico. Mais longe, padrões de interferência complexos devem produzir áreas onde os axions estão essencialmente ausentes e outras áreas onde estão presentes com o dobro da densidade média.

Difícil de ver

Com algumas possíveis exceções, a matéria escura compõe a maior parte da massa de uma galáxia. Diante disso, esses padrões de interferência devem fazer com que a atração gravitacional de diferentes áreas da galáxia seja desigual. Se as diferenças entre as regiões forem grandes o suficiente, isso pode aparecer como pequenos desvios no comportamento esperado das lentes gravitacionais. Portanto, objetos atrás de uma galáxia ainda devem aparecer como imagens de lentes; Eles podem não ter o formato que esperaríamos ou no local exato que prevíamos.

A modelagem mostra que esses desvios são pequenos o suficiente para que nem mesmo o Telescópio Espacial Hubble seja capaz de detectá-los. Mas pode ser possível detectá-los em comprimentos de onda de rádio combinando os dados de radiotelescópios distantes em um único telescópio gigante. (Essa abordagem permitiu que o Event Horizon Telescope criasse uma imagem de um buraco negro.)

E em pelo menos um caso, temos esses dados. HS 0810+2554 é uma enorme galáxia elíptica que fica entre nós e um buraco negro ativo no centro de outra galáxia. A lente gravitacional produzida pela galáxia em primeiro plano produz quatro imagens da galáxia ativa, cada uma com um núcleo galáctico brilhante e dois grandes jatos de material que se estendem a partir dele. É possível comparar a posição e a distorção dessas quatro imagens com o que esperaríamos da presença de um típico halo de matéria escura na galáxia em primeiro plano.

É uma coisa relativamente fácil de fazer com os WIMPs, pois há apenas um padrão esperado: a queda gradual nos níveis de matéria escura à medida que você se afasta do núcleo galáctico. As previsões da lente com base nessa distribuição se ajustam mal aos dados reais onde as imagens da lente aparecem.

O desafio é realizar a mesma análise com base nos padrões de interferência do axônio, que são caóticos: execute o modelo duas vezes com condições iniciais diferentes e você obterá um padrão de interferência diferente. Portanto, as chances de obter o que realmente existe na galáxia real que produz a lente são muito pequenas. Em vez disso, a equipe de pesquisa executou 75 modelos diferentes com condições iniciais escolhidas arbitrariamente. Coincidentemente, algumas delas produziram distorções semelhantes às dos dados reais, normalmente afetando apenas uma das quatro imagens da lente. Os pesquisadores concluem, assim, que as distorções nas imagens das lentes são consistentes com um halo de matéria escura estruturado pela interferência quântica dos axions.

Então é realmente Axion?

Analisar uma única galáxia nunca será um slam dunk crucial para nada, e há vários motivos para ser mais cauteloso aqui. Primeiro, os pesquisadores fizeram algumas suposições sobre a distribuição da matéria visível normal em uma galáxia que também exerce um efeito gravitacional. E acredita-se que as galáxias elípticas sejam o resultado da fusão de galáxias menores, o que poderia afetar a distribuição da matéria escura de maneiras sutis que são difíceis de detectar ao traçar a distribuição da matéria normal.

Afinal, esse tipo de padrão de interferência só funciona com axions excepcionalmente leves – da ordem de 10^-22 elétron volts Em contraste, o próprio elétron tem uma massa de cerca de 500.000 elétron-volts. Isso potencialmente tornaria os axions muito mais leves do que os neutrinos.

E os próprios autores do novo artigo são cautelosos com as evidências aqui e fecham seu artigo com a frase: “Determine se [WIMP- or axion-based dark matter] melhor reproduzida por observações astrofísicas, a balança penderá para uma das duas classes correspondentes de teorias para a nova física.” Mas sua cautela escorrega na última frase do resumo, onde eles escrevem: “A capacidade de [axion-based dark matter] Resolver anomalias de lentes mesmo em casos desafiadores como HS 0810+2554, juntamente com seu sucesso na reprodução de outras observações astrofísicas, inclina a balança em direção à nova física que os áxions evocam.

Sem dúvida, veremos em breve se essa opinião é compartilhada pelos físicos por trás dos autores e revisores deste artigo.

Astronomia Natural, 2023. DOI: 10.1038/s41550-023-01943-9 (Sobre DOIs).