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Resolvido: o mistério de como a matéria escura nas galáxias é distribuída
A matéria escura representa 85% da matéria do Universo, mas sua existência aparece apenas em escalas astronômicas.
Por Instituto de Astrofísica de Canarias - 28/10/2020


Matéria escura em duas galáxias simuladas em um computador. A única diferença entre eles é a natureza da matéria escura. Sem colisões à esquerda e com colisões à direita. O trabalho sugere que a matéria escura em galáxias reais se parece mais com a imagem à direita, menos aglomerada e mais difusa do que a da esquerda. O círculo marca o fim da galáxia. Crédito: Imagem retirada do artigo Brinckmann et al. 2018, Avisos mensais da Royal Astronomical Society , 474, 746.

A força gravitacional no Universo sob a qual evoluiu de um estado quase uniforme no Big Bang até agora, quando a matéria está concentrada em galáxias, estrelas e planetas, é fornecida pelo que é denominado 'matéria escura'. Mas apesar do papel essencial que este material extra desempenha, não sabemos quase nada sobre sua natureza, comportamento e composição, que é um dos problemas básicos da física moderna. Em um artigo recente na Astronomy & Astrophysics Letters, cientistas do Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) / Universidade de La Laguna (ULL) e da Universidade Nacional do Noroeste da Província de Buenos Aires (Junín, Argentina) mostraram que a matéria escura nas galáxias segue uma distribuição de 'entropia máxima', que esclarece sua natureza.

A matéria escura representa 85% da matéria do Universo, mas sua existência aparece apenas em escalas astronômicas. Ou seja, devido à sua fraca interação, o efeito líquido só pode ser percebido quando está presente em grandes quantidades. Como ele esfria apenas com dificuldade, as estruturas que forma são geralmente muito maiores do que planetas e estrelas. Como a presença de matéria escura aparece apenas em grandes escalas, a descoberta de sua natureza provavelmente terá que ser feita por estudos astrofísicos.

Entropia Máxima

Dizer que a distribuição da matéria escura é organizada de acordo com a entropia máxima (que é equivalente a 'desordem máxima' ou 'equilíbrio termodinâmico') significa que ela é encontrada em seu estado mais provável. Para atingir essa "desordem máxima", a matéria escura deve ter que colidir dentro de si mesma, assim como fazem as moléculas de gás , para atingir o equilíbrio no qual sua densidade , pressão e temperatura estão relacionadas. No entanto, não sabemos como a matéria escura atingiu esse tipo de equilíbrio.

“Ao contrário das moléculas do ar, por exemplo, porque a ação gravitacional é fraca, as partículas de matéria escura dificilmente devem colidir umas com as outras, de modo que o mecanismo pelo qual alcançam o equilíbrio é um mistério”, diz Jorge Sánchez Almeida, pesquisador do IAC quem é o primeiro autor do artigo. “No entanto, se eles colidissem, isso lhes daria uma natureza muito especial, que resolveria em parte o mistério de sua origem”, acrescenta.

A entropia máxima da matéria escura foi detectada em galáxias anãs, que têm uma proporção maior de matéria escura em relação à matéria total do que galáxias mais massivas, então é mais fácil ver o efeito nelas. No entanto, os pesquisadores esperam que seja um comportamento geral em todos os tipos de galáxias.

O estudo implica que a distribuição de matéria em equilíbrio termodinâmico tem uma densidade central muito mais baixa que os astrônomos assumiram para muitas aplicações práticas, como na interpretação correta de lentes gravitacionais ou ao projetar experimentos para detectar matéria escura por sua auto-aniquilação.
 
Essa densidade central é fundamental para a correta interpretação da curvatura da luz pelas lentes gravitacionais: se for menos densa o efeito da lente é menor. Para usar uma lente gravitacional para medir a massa de uma galáxia é necessário um modelo, se este modelo for alterado, a medição muda.

A densidade central também é muito importante para os experimentos que tentam detectar a matéria escura usando sua auto-aniquilação. Duas partículas de matéria escura poderiam interagir e desaparecer em um processo altamente improvável, mas que seria característico de sua natureza. Para que duas partículas interajam, elas devem colidir. A probabilidade dessa colisão depende da densidade da matéria escura; quanto maior a concentração de matéria escura, maior é a probabilidade de as partículas colidirem.

"Por essa razão, se a densidade muda, também mudará a taxa esperada de produção das auto-aniquilações, e dado que os experimentos são projetados na previsão de uma dada taxa, se essa taxa for muito baixa, o experimento dificilmente produzirá um resultado positivo ", diz Sánchez Almeida.

Finalmente, o equilíbrio termodinâmico para matéria escura também poderia explicar o perfil de brilho das galáxias. Esse brilho diminui com a distância do centro de uma galáxia de forma específica, cuja origem física é desconhecida, mas para a qual os pesquisadores estão trabalhando para mostrar que é o resultado de um equilíbrio com entropia máxima.

Simulação Versus Observação

A densidade da matéria escura nos centros das galáxias é um mistério há décadas. Há uma grande discrepância entre as previsões das simulações (alta densidade) e o que se observa (baixo valor). Os astrônomos propuseram muitos tipos de mecanismos para resolver esse grande desacordo.

Neste artigo, os pesquisadores demonstraram, usando princípios físicos básicos, que as observações podem ser reproduzidas na suposição de que a matéria escura está em equilíbrio, ou seja, possui entropia máxima. As consequências desse resultado podem ser muito importantes porque indicam que a matéria escura trocou energia consigo mesma e / ou com a matéria "normal" (bariônica) restante.

“O fato de o equilíbrio ter sido alcançado em tão pouco tempo, em comparação com a idade do Universo, pode ser o resultado de um tipo de interação entre matéria escura e matéria normal além da gravidade”, sugere Ignacio Trujillo, pesquisador do IAC e coautor deste artigo. "A natureza exata desse mecanismo precisa ser explorada, mas as consequências podem ser fascinantes para entender o que é esse componente que domina a quantidade total de matéria no Universo."

 

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