A Matéria Escura no Universo

A matéria comum, que compõe as estrelas, planetas e tudo o que podemos ver, representa apenas cerca de 20% de toda a matéria no Universo. Os 80% restantes acreditam-se ser matéria escura: uma substância misteriosa que não emite, absorve ou reflete luz, e cuja verdadeira natureza continua sendo um dos maiores problemas não resolvidos da física moderna. Apesar de sua invisibilidade, sabe-se que a matéria escura desempenha um papel vital na formação de galáxias, como a Via Láctea, e na modelagem da estrutura em larga escala do Universo.

Propriedades da Matéria Escura

Uma das propriedades chave da matéria escura é a massa de suas partículas constituintes. Se essas partículas forem relativamente leves, como menos de cerca de 5% da massa do elétron, a matéria escura é considerada quente e inibiria a formação de estruturas menores que galáxias. No entanto, se as partículas forem mais pesadas, a matéria escura é classificada como fria, o que promoveria o crescimento de estruturas em menor escala.

Pesquisas sobre a Massa das Partículas de Matéria Escura

Astrônomos há muito buscam determinar a massa das partículas de matéria escura estudando estruturas em pequena escala compostas de gás e estrelas, pois essa informação é crucial para que físicos de partículas desenvolvam modelos teóricos sobre a matéria escura.

Estudo Pioneiro

Um novo estudo liderado pelo pesquisador de pós-doutorado da Universidade de Tsukuba, Hyunbae Park, que conduziu esta pesquisa durante seu tempo como pesquisador do Instituto Kavli para a Física e Matemática do Universo da Universidade de Tóquio (Kavli IPMU, WPI), e incluindo o professor do Kavli IPMU e cientista visitante do Instituto Max Planck de Astrofísica, Naoki Yoshida, concentrou-se em pequenas nuvens de gás que existiram durante as Idades das Trevas cósmicas, os primeiros 100 milhões de anos após o Big Bang, antes da formação de estrelas e galáxias. Devido à complexidade e aos processos pouco compreendidos envolvidos na formação e evolução de estrelas e galáxias, simular seu comportamento com precisão continua a ser um grande desafio na astrofísica computacional moderna. Ao focar em uma era anterior a essas complexidades, os pesquisadores puderam simular estruturas cósmicas primordiais com precisão sem precedentes.

Resultados da Simulação

Os resultados da simulação revelaram como o gás gradualmente esfriou à medida que o Universo se expandia, desenvolvendo pequenos aglomerados de gás por meio da interação gravitacional com a matéria escura durante as Idades das Trevas. O gás nesses aglomerados tornou-se muito mais denso do que na média do Universo e aquecia-se devido à compressão. Essa variação na densidade e temperatura foi impressa na emissão de rádio de 21 centímetros dos átomos de hidrogênio. A equipe modelou este sinal antigo das nuvens de gás primordiais e descobriu que sua intensidade média no céu depende de forma sensível se a matéria escura é quente ou fria. Segundo os pesquisadores, essa diferença poderia permitir que futuras experiências lunares distinguissem entre cenários concorrentes de matéria escura.

O Sinal das Idades das Trevas

Espera-se que o sinal das Idades das Trevas apareça em frequências em torno de 50 MHz ou inferiores, com uma modulação de frequência característica, e a diferença entre os dois cenários de matéria escura é inferior a um milikelvin em temperatura de brilho. Essas frequências são fortemente contaminadas por sinais artificiais na Terra e ainda mais obscurecidas pela ionosfera, o que torna virtualmente impossível detectar o sinal a partir de observatórios baseados na Terra. Em contraste, o lado oposto da Lua oferece um ambiente radio quieto, protegido da interferência terrestre, e é considerado um local ideal para a detecção do evasivo sinal das Idades das Trevas.

Desafios e Oportunidades Futuras

Embora a construção de observatórios de rádio na Lua apresente grandes desafios tecnológicos e financeiros, um número crescente de países está buscando tais missões como parte da nova corrida espacial, combinando ambições científicas com avanços tecnológicos. Com esse crescente impulso internacional, agora é considerado viável determinar a massa das partículas de matéria escura através de observações baseadas na Lua nas próximas décadas. Entre essas nações, o Japão está ativamente desenvolvendo o projeto Tsukuyomi, que planeja implantar antenas de rádio na Lua.

A pesquisa da equipe fornece orientações teóricas essenciais para essas missões futuras, visando maximizar seu retorno científico.