Desvendando mistérios cósmicos: cientistas desenvolvem um novo método inovador para investigar a matéria escura

A matéria escura é fundamental para a nossa compreensão do Universo, mas a sua natureza exata permanece um mistério. Descobrir a identidade da matéria escura é um objetivo crucial na cosmologia e na física de partículas.

Um esforço colaborativo de físicos do Instituto Tata de Pesquisa Fundamental, do Instituto Indiano de Ciência e da Universidade da Califórnia em Berkeley introduziu um novo método para investigar a matéria escura. Este método utiliza pesquisas de ondas gravitacionais para detectar os efeitos potenciais da matéria escura nas estrelas de nêutrons.

Nova Metodologia Explicada

Sulagna Bhattacharya, estudante de pós-graduação do TIFR e principal autora do estudo publicado em Cartas de revisão física, explica – partículas de matéria escura na galáxia podem se acumular em estrelas de nêutrons devido às suas interações não gravitacionais. As partículas acumuladas formam um núcleo denso, que se desintegra em uma minúscula buraco negro no cenário em que a partícula de matéria escura é pesada e não tem contraparte antipartícula; um cenário que se revelou difícil de testar de outra forma em experiências de laboratório.

Para uma grande faixa permitida de massa de partículas de matéria escura, o buraco negro inicial consome seu hospedeiro Estrêla de Neutróns e o transmuta em um buraco negro com massa de estrela de nêutrons. Crucialmente, as teorias da evolução estelar prevêem que os buracos negros se formam quando as estrelas de nêutrons excedem cerca de 2,5 vezes a massa do Sol, conforme codificado no limite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff, mas aqui a matéria escura leva a buracos negros de baixa massa que são tipicamente menores. do que a estrela de nêutrons máxima.

Detectores de ondas gravitacionais como sondas gráficas de matéria escura. Crédito: Basudeb Dasgupta

Anupam Ray, que co-liderou o trabalho, aponta que “para parâmetros de matéria escura que ainda não foram descartados por qualquer outro experimento, antigos sistemas binários de estrelas de nêutrons em regiões densas da galáxia deveriam ter evoluído para sistemas binários de buracos negros. Se não observarmos quaisquer fusões anormalmente de baixa massa, isso colocará novas restrições à matéria escura.”

Ligando matéria escura e buracos negros

Curiosamente, alguns dos eventos detectados por LIGO, por exemplo, GW190814 e GW190425, parecem envolver pelo menos um objeto compacto de baixa massa. Uma sugestão tentadora, baseada no trabalho pioneiro de Hawking e Zeldovich da década de 1960, é que os buracos negros de baixa massa poderiam ter uma origem primordial, isto é, criados por flutuações de densidade extremamente raras, mas grandes, no Universo muito primitivo.

Motivada por estas considerações, a colaboração LIGO empreendeu pesquisas direcionadas de buracos negros de baixa massa e estabeleceu limites. O presente estudo de Bhattacharya e colaboradores mostra que a mesma não detecção de fusões de baixa massa pelo LIGO também impõe restrições rigorosas às partículas de matéria escura.

As restrições apresentadas neste estudo têm um valor significativo, pois exploram o espaço de parâmetros que está muito além do alcance dos atuais detectores terrestres de matéria escura como XENON1T, PANDA, LUX-ZEPLIN, especialmente para partículas pesadas de matéria escura.

Futuro das observações de ondas gravitacionais

Espera-se que as fusões de buracos negros de baixa massa sejam detectáveis ​​não apenas usando detectores de ondas gravitacionais existentes, como LIGO, VIRGO e KAGRA, mas também por detectores futuros, como Advanced LIGO, Cosmic Explorer e o Telescópio Einstein. Ao considerar as actualizações planeadas das actuais experiências de ondas gravitacionais, e tendo em conta o seu aumento de sensibilidade e tempo de observação, o estudo prevê as restrições que poderão ser obtidas na próxima década.

Em particular, o estudo mostra que as observações de ondas gravitacionais podem sondar interações extremamente fracas de matéria escura pesada, bem abaixo do chamado “piso de neutrinos”, onde os detectores convencionais de matéria escura têm de lidar com os fundos astrofísicos de neutrinos.

Em vez disso, se buracos negros exóticos de baixa massa forem descobertos no futuro, isso poderá ser uma dica valiosa sobre a natureza da matéria escura. Os autores concluem com otimismo, observando que “detectores de ondas gravitacionais, que já se mostraram úteis para a detecção direta de buracos negros e ondas gravitacionais previsto por Einstein, pode acabar sendo uma ferramenta poderosa para testar teorias sobre a matéria escura também.”

Referência: “O LIGO pode detectar matéria escura não aniquiladora?” por Sulagna Bhattacharya, Basudeb Dasgupta, Ranjan Laha e Anupam Ray, 29 de agosto de 2023, Cartas de revisão física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.091401

O estudo foi financiado pelo Departamento de Energia Atômica (Governo da Índia), pelo Departamento de Ciência e Tecnologia (Governo da Índia) por meio de uma bolsa Swarnajayanti, pela Max-Planck-Gesellschaft por meio de um Grupo Parceiro Max Planck, pelo Instituto Indiano de Ciência , Bengaluru, o Departamento de Ciência e Tecnologia (Governo da Índia), a National Science Foundation, a Fundação Heising-Simons e a Fundação Infosys (Bengaluru).