O que é que sabemos realmente sobre a matéria negra? Cientistas de Tóquio descobrem novos limites

Graças a uma técnica inovadora, foi possível observar a luz emitida pela matéria negra e medir a sua meia-vida, com a maior precisão jamais obtida, que, expressa em segundos, é superior a 10 seguido de 25 zeros.

telescópio magalhães
O telescópio Magalhães do Observatório Las Campanas utilizado pela equipa japonesa para detetar a luz emitida pela matéria escura em decomposição. Crédito: Yuri Beletsky.

Há pelo menos um século que os cientistas tentam desvendar a verdadeira natureza dos componentes mais misteriosos do Universo: a matéria e a energia escuras. Paradoxalmente, estima-se que 27% do Universo seja composto por matéria negra, 69% por energia negra e apenas 4% por matéria visível para nós. Assim, 96% do que constitui o Universo permanece um mistério para nós.

O termo “escuro”, introduzido pela primeira vez pelo astrónomo Fritz Zwicky em 1933, é utilizado para indicar que a natureza da matéria e da energia escuras é ainda um mistério para nós.

No entanto, sabemos que a energia escura e a matéria escura têm propriedades opostas: a matéria escura tem propriedades atrativas (como a matéria visível que conhecemos), enquanto a energia escura tem propriedades repulsivas.

O destino do Universo, ou seja, a sua progressiva expansão ou futura contração, depende precisamente do equilíbrio entre a força atractiva da matéria escura e a força repulsiva da energia escura.

Como descobrimos a sua existência

Sabemos que o movimento dos corpos celestes está relacionado com a sua massa. Graças às leis de Kepler e à lei da Gravitação Universal, podemos deduzir a massa a partir do movimento ou, vice-versa, conhecendo a massa, podemos descrever o movimento.

Os astrónomos observaram que o movimento das galáxias e dos enxames de galáxias, para ser explicado pelas leis da física, requer a presença de uma massa muito maior do que a massa observada.

matéria escura
Astrónomos japoneses conseguiram detetar a luz emitida pelo decaimento da matéria negra e medir a sua meia-vida. Crédito: Physical Review Letters.

Assim, a existência de matéria escura foi inferida a partir da observação como um componente necessário para explicar o movimento observado de galáxias e aglomerados de galáxias.

A existência da energia escura foi inferida a partir da observação de que o Universo está a expandir-se a um ritmo acelerado. Para justificar esta aceleração, foi colocada a hipótese de existir uma componente do Universo cujo efeito é o oposto ao da adição de matéria, ou seja, de repulsão, e portanto uma forma de energia: a energia escura.

No entanto, conhecemos uma propriedade muito importante da matéria negra: a matéria negra desintegra-se com o tempo. O que é que isto significa? A hipótese é que a matéria escura é constituída por dois tipos diferentes de elementos: um estável, ou seja, imutável ao longo do tempo, e outro instável, que tende a transformar-se em partículas e energia.

A esta transformação chama-se decaimento. Após o processo de decomposição, a matéria escura perde a sua propriedade inicial e, por conseguinte, deixa de ser “escura”. Estima-se que, desde o Big Bang até hoje, devido à decomposição, a matéria escura tenha diminuído cerca de 2-5%.

A energia emitida durante o processo de decaimento não é senão a luz observável. Assim, se não podemos observar a matéria negra diretamente, podemos observar a luz que emite quando decai.

O que há de novo no Japão?

Uma equipa de investigadores da Universidade Metropolitana de Tóquio fez um avanço no estudo da matéria negra através da luz emitida pela sua desintegração e conseguiu também estimar a sua meia-vida.

Quando um elemento se desintegra, ou seja, sofre uma transformação, como é o caso dos elementos radioativos, é possível estimar a sua meia-vida, entendida como o tempo que é necessário esperar para que a desintegração ocorra.

Os investigadores concentraram-se em duas galáxias, Leo V e Tucana II, que contêm matéria escura, e tentaram detetar a radiação emitida pelo decaimento de um tipo de partícula de matéria escura chamada "partícula semelhante ao áxion” (ALP), procurando na região espetral do infravermelho. No entanto, depararam-se com um grande problema.

WINERED
Neste exemplo, a luz infravermelha (feixe azul estreito) que chega ao espetrógrafo WINERED (representado por um prisma) é separada da luz de fundo com a qual chegou misturada.

A luz infravermelha emitida durante o decaimento é misturada com a luz de fundo, ou seja, a luz proveniente da miríade de estrelas no universo, com a luz zodiacal, com a luz solar dispersa pela poeira interestelar, com a luz emitida pela atmosfera quando esta é aquecida pelo Sol.

A ideia inovadora da equipa foi considerar que, enquanto as fontes de fundo acima mencionadas emitem radiação numa vasta gama de comprimentos de onda, a luz de decaimento está concentrada numa gama estreita.

Utilizando o telescópio Magellan Clay de 6,5 metros do Observatório Astronómico de Las Campanas, no Chile, e o espetrógrafo ultra-preciso WINERED, conseguiram separar a radiação infravermelha de fundo da emitida pela estrela tipo áxion em decaimento.

Em particular, conseguiram medir um limite superior e um limite inferior para os comprimentos de onda da radiação de decaimento. Isto permitiu-nos obter a medida mais precisa até agora da meia-vida de uma estrela do tipo áxion, que se revela imensamente longa. Expresso em segundos, é igual a aproximadamente 10 seguido de 25 a 26 zeros, ou, se preferir, igual a 10 vezes cem milhões de vezes a idade do Universo.

É uma vida imensamente longa. No entanto, dado o número ainda mais enorme de estrelas do tipo áxion no Universo, as suas desintegrações ocorrem continuamente e a sua emissão de luz é igualmente contínua.

Com apenas 4 horas de observação contínua com o telescópio Magalhães, os astrónomos japoneses conseguiram observar luz de decaimento suficiente para estimar com precisão a sua meia-vida.

Referência da notícia

- Wen Yin et al. First Result for Dark Matter Search by WINERED - Phys. Rev. Lett. 134, 051004 – Publicado 7 febrero, 2025.