Estrelas e galáxias compõem grande parte da matéria comum e observável do universo. Mas, por décadas, os cientistas têm se debatido com um conflito cósmico: deveria haver muito mais. 

Os físicos têm boas estimativas da quantidade de matéria presente no universo primitivo. Logo após o Big Bang, aproximadamente 83% de toda a matéria do universo era composta de matéria escura invisível, com a matéria comum constituindo o restante. Mesmo assim, essas estimativas excedem a quantidade de matéria comum observada em estrelas e galáxias atualmente. Para onde, então, foi toda a matéria comum que desapareceu? 

Agora, cientistas do MIT, como parte da Colaboração CHIME/FRB, estão usando sinais de rádio distantes para revelar a matéria faltante no vasto espaço entre as galáxias. A equipe desenvolveu um novo método para buscar essa matéria faltante, combinando a localização de galáxias com a detecção de rajadas rápidas de rádio. 

Uma explosão rápida de rádio, ou FRB, é um flash ultrabrilhante de ondas de rádio com duração de milissegundos, emitido por fenômenos extremamente energéticos no universo distante. À medida que viaja pelo espaço, o sinal de uma explosão rápida de rádio é esticado, ou "borrado", no tempo. Quanto mais matéria ausente ele atravessa, mais borrado o sinal se torna. 

A equipe liderada pelo MIT mediu o grau de distorção sofrido por milhares de sinais de FRB detectados na Terra. Em seguida, compararam cada distorção de FRB com a localização de galáxias em todo o universo para determinar quanto da distorção de um FRB era devido à matéria galáctica e quanto era devido a outras matérias ausentes. 

O novo método revelou não apenas se a matéria faltante estava presente, mas também onde. Especificamente, os pesquisadores descobriram que ela existe em nuvens muito difusas que circundam grupos de galáxias. Essas nuvens se estendem das galáxias a distâncias muito maiores do que os cientistas haviam previsto. 

“Descobrimos que, no geral, onde há mais galáxias, tende a haver mais matéria faltante ao redor delas”, diz Haochen Wang, estudante de pós-graduação no Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT.

Os resultados, publicados hoje na revista Physical Review Letters , corroboram a ideia de que a matéria é expelida para fora de uma galáxia por meio de jatos de buracos negros, explosões de estrelas e outros processos altamente energéticos dentro de uma galáxia. Além disso, as descobertas sugerem que tais processos são mais energéticos do que os cientistas imaginavam. 

“Estamos encontrando matéria desaparecida que foi expelida para escalas maiores”, diz Kiyoshi Masui, professor associado de física do MIT. “Essas medições indicam que a atividade estelar, e a atividade dos buracos negros, é mais forte e muito mais violenta do que o previsto.”

Masui e Wang são coautores do novo estudo, que inclui Shion Andrew, Adam Lanman, Kenzie Nimmo e Ryan Raikman do MIT, além de colaboradores de diversas outras instituições, como parte da Colaboração CHIME/FRB. 

A vasta maioria da matéria comum e observável no universo é constituída por bárions — um tipo de partícula subatômica que inclui prótons e nêutrons e que compõe a maior parte da massa de um átomo. Os cientistas estimam que apenas 17% do universo primitivo era formado por essa matéria “bariônica”, logo após o Big Bang. 

Parte dessa matéria primordial foi moldada em tudo o que vemos hoje, desde planetas, estrelas e galáxias até nossos próprios corpos. Mas, como os cientistas perceberam, essa matéria não corresponde exatamente à quantidade total. A massa total de todas as estrelas, galáxias e nuvens galácticas é cerca de um décimo da matéria bariônica que existia no universo primordial. Deve haver mais matéria, provavelmente nos espaços entre as galáxias. Mas o universo é vasto. Qualquer matéria remanescente provavelmente existe em densidades extremamente baixas, em torno de um único próton por metro cúbico, o que torna sua detecção extremamente difícil.  

Recentemente, porém, Masui e outros descobriram que essa matéria faltante poderia ser detectada usando rajadas rápidas de rádio (FRBs). As FRBs foram descobertas pela primeira vez em 2007 e, desde então, os astrônomos detectaram milhares desses misteriosos sinais ultracurtos provenientes de galáxias distantes, a bilhões de anos-luz de distância. 

“O que torna os FRBs bons para investigar a matéria faltante é que eles têm uma propriedade especial”, diz Wang. “Eles começam como um flash muito rápido e, à medida que atravessam a matéria, se espalham no tempo. E podemos medir esse espalhamento com muita precisão, que é diretamente proporcional à quantidade de matéria faltante que o FRB atravessou.”

Pesquisadores já haviam se aproveitado dessa propriedade de distorção dos FRBs para detectar matéria faltante ao redor de galáxias. Esses esforços confirmaram a existência de tênues nuvens nos vastos espaços entre as galáxias. Masui e Wang queriam ir além. 

“Não estamos apenas investigando se o gás está com a galáxia ou não, mas também estamos observando a forma da matéria faltante que está ao redor das galáxias”, diz Wang. “Ao mapear a forma da matéria faltante, podemos entender como as galáxias se formam e como interagem com seu ambiente.”

Para o novo estudo, a equipe mapeou a forma da matéria faltante ao redor das galáxias, correlacionando milhares de medições de FRBs com a localização de milhões de galáxias. Eles utilizaram dados de duas fontes: o Experimento Canadense de Mapeamento da Intensidade do Hidrogênio (CHIME) e o levantamento do Instrumento Espectroscópico de Energia Escura (DESI). 

O CHIME é um grande radiotelescópio localizado na Colúmbia Britânica, Canadá, projetado para escanear todo o céu do hemisfério norte em busca de ondas de rádio. O telescópio é sensível a sinais de rádio ultracurtos e ultrabrilhantes e, desde o início de suas observações, o CHIME detectou cerca de 4.000 rajadas rápidas de rádio em todo o céu. 

O DESI é um instrumento instalado no Telescópio Mayall, no Observatório Nacional de Kitt Peak, perto de Tucson, Arizona. O instrumento realiza medições detalhadas da luz proveniente de mais de 30 milhões de galáxias, fornecendo estimativas da energia escura — a força misteriosa que impulsiona a expansão do universo. 

A partir do catálogo de detecções do CHIME, os membros da colaboração CHIME/FRB analisaram 2.870 sinais de FRB (Fast Radio Broadcast). Cada sinal é uma explosão de ondas de rádio, em múltiplos comprimentos de onda, da mais alta para a mais baixa energia. As ondas "azuis" de maior energia são tipicamente menos afetadas pela matéria ausente que atravessam e, portanto, devem chegar a um detector antes dos comprimentos de onda "vermelhos" de menor energia, que são mais atrasados, ou "borrados", no tempo. 

A equipe mediu o espalhamento dos vários comprimentos de onda de cada FRB, o que permitiu relacioná-lo diretamente à quantidade de matéria que o FRB deve ter atravessado antes de atingir os detectores do CHIME. Masui e Wang então correlacionaram essas medições com as localizações de mais de 6 milhões de galáxias fornecidas pelos dados do DESI. Dessa forma, eles puderam buscar uma associação entre a matéria faltante e as galáxias, e medir a posição de uma em relação à outra. 

A análise revelou um padrão: a matéria bariônica faltante tendia a ser encontrada ao redor de galáxias e aglomerados de galáxias. Mas, em vez de se acumular perto das galáxias em uma esfera densa, a matéria faltante estava espalhada por um grande raio, semelhante a uma nuvem difusa. 

“Uma galáxia tem talvez algumas centenas de milhares de anos-luz de diâmetro, e encontramos matéria faltante até cerca de 4 milhões de anos-luz”, diz Masui. “Isso é muito mais longe do que as simulações preveem.”

“Estamos descobrindo que a atividade nas galáxias é mais complexa do que pensávamos”, diz Wang. “Elas se assemelham mais a fontes e lançam gás a distâncias enormes.”

Os novos resultados mostram que as rajadas rápidas de rádio podem ser um método confiável para buscar matéria extraterrestre. À medida que o CHIME continua a detectar mais FRBs, a equipe afirma que seu método só tende a melhorar.

“Conseguimos fazer funcionar pela primeira vez e vamos aperfeiçoá-lo ainda mais à medida que os dados forem melhores”, diz Masui. 

Os projetos CHIME e CHIME/FRB são financiados pela Fundação Canadense para Inovação, pelo Conselho de Pesquisa em Ciências Naturais e Engenharia do Canadá e pelas províncias da Colúmbia Britânica, Quebec e Ontário. Este estudo recebeu apoio parcial da Fundação Nacional de Ciência dos EUA.