INVESTIGAÇÃO – Matéria escura poderá ser uma relíquia da inflação, segundo teoria de investigadores da Universidade de Aveiro

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O inflatão, a partícula que poderá ter sido
responsável por um período de expansão extremamente rápido no princípio do
Universo designado por inflação, poderá também constituir a matéria escura,
cuja origem permanece desconhecida. A teoria é assinada por uma equipa de
investigadores da Universidade de Aveiro (UA) que mostra, em particular, que
esse cenário é uma consequência natural dos cenários de inflação quente, em que
o Universo não arrefece drasticamente durante a inflação.
O trabalho, assinado por João Rosa e Luís
Ventura, cientistas do Departamento de Física e do Centro de Investigação e
Desenvolvimento em Matemática e Aplicações da UA, foi publicado este mês na
prestigiada
Physical Review Letters.
A teoria da inflação foi proposta em 1981
pelo físico americano Alan Guth, postulando a existência de uma nova partícula
o inflatão – que nas primeiras frações de segundo da sua existência levou a
que o Universo se expandisse muito rapidamente, acabando por ficar extremamente
uniforme, como o observamos hoje.
Nos modelos convencionais de inflação fria, a
expansão rápida leva a que a temperatura do Universo decresça muito rapidamente
durante a inflação (tal como um gás arrefece quando expande). No final deste
período, os inflatões transformam-se nas partículas que conhecemos, como o eletrão
e o fotão (partículas de luz), num processo semelhante ao decaimento radioativo,
e a energia assim libertada é usada para “reaquecer” o Universo.
Nos modelos de inflação quente, pelo
contrário, os inflatões transferem energia para o plasma cósmico sob a forma de
calor, mantendo o Universo a uma temperatura elevada, sem haver necessidade de
o “reaquecer” no final. Apesar de esta ideia ter mais de duas décadas, só em
2016 foi possível desenvolver um modelo teórico apelativo para a inflação
quente, num artigo da coautoria do investigador João Rosa e também publicado na
prestigiada revista americana Physical Review Letters.
Modelo da UA abre novos caminhos

No contexto deste modelo, a equipa da UA
mostrou pela primeira vez que os inflatões não se transformam noutras
partículas após o final da inflação, apenas interagindo significativamente com
outras partículas, incluindo os fotões, a temperaturas suficientemente elevadas
que o Universo só atingiu durante a inflação. Isto significa que os inflatões
não desapareceram, apesar de não os conseguirmos ver visto a sua interação com
a luz ser hoje extremamente débil.
Desde 1933, através das observações do enxame
de galáxias Coma realizadas pelo astrónomo suíço Fritz Zwicky, sabe-se que mais
de 80 por cento da matéria no Universo é escura, isto é, não emite luz, e
apenas conseguimos inferir a sua presença através da força gravitacional que
esta exerce sobre a matéria luminosa e que altera, por exemplo, a velocidade
com que as estrelas rodam em torno do centro das galáxias.
Sabe-se também que esta matéria escura é
também relativamente fria, pois caso contrário teria impedido a formação das
galáxias e outras estruturas cósmicas como os enxames e super-enxames de
galáxias que hoje pintalgam o Universo observável.
Os inflatões que, segundo o modelo
desenvolvido na UA, sobreviveram desde o período de inflação até aos dias de
hoje têm exatamente estas propriedades. Além de praticamente não emitirem luz,
são extremamente frios, essencialmente por terem perdido energia sob a forma de
calor durante a inflação para manter o Universo quente e depois deixado de
interagir com o plasma cósmico. Assim, se a hipótese dos investigadores da UA
estiver correta, a inflação e a matéria escura poderão ser explicadas por uma
só nova partícula.
No contexto da inflação fria, é bastante
difícil que os inflatões se transformem noutras partículas (libertando energia
suficiente para reaquecer o Universo) e que simultaneamente alguns sobrevivam
até aos dias de hoje. No cenário de inflação quente, a unificação da inflação e
da matéria escura é natural, porque os inflatões não só não se terão convertido
em matéria luminosa como também ter-se-ão mantido frios durante os milhares de
milhões de anos de expansão do Universo após a inflação.
Além disso, este modelo pode ser testado de
diversas formas, e com tecnologia que deverá estar disponível nos próximos
anos. Por sobreviverem até aos dias de hoje, os inflatões terão provocado
ligeiras alterações na abundância cósmica dos elementos químicos mais leves
como o Hidrogénio ou o Hélio. Terão também deixado a sua marca nas pequenas
flutuações na temperatura da Radiação Cósmica de Fundo, uma relíquia do plasma
cósmico primordial.
A forma como a temperatura desta radiação de micro-ondas
varia no céu poderá dizer-nos inequivocamente se o Universo se manteve ou não
quente durante a inflação e se os inflatões são ou não a matéria escura. Resta
esperar por observações astronómicas mais precisas para perceber se uma só
partícula chega para resolver estes dois importantes mistérios do cosmos.

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