Um estudo novo das observações de Chandra de 13 conjuntos da galáxia testou as propriedades da matéria escura.A matéria escura é uma substância misteriosa e invisível que constitui a maioria da matéria no Universo.
Os resultados mais recentes sugerem que a matéria escura pode ter propriedades ondulatórias devido à mecânica quântica.O modelo que foi testado com dados Chandra é conhecido como matéria escura "fuzzy".
Os astrônomos usaram dados do Observatório Chandra de raios-X da NASA para estudar as propriedades da matéria escura , a substância misteriosa e invisível que compõe a maioria da matéria no universo. O estudo, que envolve 13 aglomerados de galáxias , explora a possibilidade de que a matéria escura pode ser mais "fuzzy" do que "fria", talvez até aumentando a complexidade que envolve esse enigma cósmico.
Durante várias décadas, os astrónomos conhecem a matéria escura . Embora não possa ser observada diretamente, a matéria escura interage através da gravidade com a matéria normal, radiante (isto é, qualquer coisa feita de prótons, nêutrons e elétrons empacotados em átomos). Capitalizando essa interação, os astrônomos estudaram os efeitos da matéria escura usando uma variedade de técnicas, incluindo observações do movimento de estrelas em galáxias, o movimento de galáxias em galáxias e a distribuição de raios-X que emitem gás quente em aglomerados de galáxias . A matéria escura também deixou uma marca na radiação deixada do Big Bang há 13,8 bilhões de anos.
No entanto, os astrônomos têm lutado durante décadas para entender as propriedades detalhadas da matéria escura. Em outras palavras, eles gostariam de saber como a matéria escura se comporta em todos os ambientes e, em última instância, do que é feito.
O modelo mais popular assume que a matéria escura é uma partícula mais massiva do que um próton que é "frio", o que significa que ele se move a velocidades muito menores do que a velocidade da luz. Este modelo tem sido bem sucedido em explicar a estrutura do universo em escalas muito grandes, muito maiores que as galáxias, mas tem problemas em explicar como a matéria é distribuída nas escalas menores das galáxias.
Por exemplo, o modelo da matéria escura fria prevê que a densidade da matéria escura no centro das galáxias é muito maior do que nas regiões circunvizinhas próximas ao centro. Como a matéria normal é atraída pela matéria escura, ela também deve ter um forte pico de densidade no centro das galáxias. No entanto, os astrônomos observam que a densidade da matéria escura e normal no centro das galáxias é muito mais uniformemente espalhada. Outra questão com o modelo de matéria escura fria é que ele prevê um número muito maior de galáxias pequenas orbitando em torno de galáxias como a Via Láctea do que os astrônomos realmente vêem.
Para resolver esses problemas com o modelo de matéria escura fria, os astrônomos vêm modelos alternativos onde a matéria escura tem propriedades muito diferentes. Um desses modelos aproveita o princípio da mecânica quântica de que cada partícula subatômica tem uma onda associada a ela. Se a partícula da matéria escura tiver uma massa extremamente pequena, cerca de dez mil trilhões de trilhões de vezes menor do que a massa de um elétron, seu comprimento de onda correspondente será de cerca de 3.000 anos-luz . Esta distância de um pico da onda para outro é de cerca de um oitavo da distância entre a Terra e o centro da Via Láctea. Em contraste, o comprimento de onda mais longo da luz, uma onda de rádio, é apenas alguns quilômetros de comprimento.
Ondas de diferentes partículas nessas grandes escalas podem se sobrepor e interferir umas com as outras como ondas em um lago, agindo como um sistema quântico em escalas galácticas em vez de atômicas.
O grande comprimento de onda da onda das partículas significa que a densidade da matéria escura no centro das galáxias não pode ser fortemente atingida. Portanto, para um observador fora de uma galáxia, essas partículas pareceriam fuzzy se pudessem ser detectadas diretamente, de modo que este modelo foi chamado de "matéria escura fuzzy". Porque a matéria normal é atraída pela matéria escura, ela também se espalhará por grandes escalas. Isto explicaria naturalmente a falta de um pico forte na densidade da matéria no centro das galáxias.
Este modelo simples foi bem sucedido em explicar a quantidade ea posição da matéria escura em galáxias pequenas. Para galáxias maiores, um modelo mais complicado de matéria escura difusa tem sido necessário. Neste modelo, concentrações maciças de matéria escura podem levar a múltiplos estados quânticos (chamados "estados excitados"), nos quais as partículas de matéria escura podem ter diferentes quantidades de energia, semelhante a um átomo com elétrons em órbitas de energia mais alta. Esses estados excitados mudam a forma como a densidade da matéria escura varia com a distância do centro do aglomerado de galáxias.
Em um novo estudo, uma equipe de cientistas usou as observações de Chandra do gás quente em 13 galáxias para ver se o modelo de matéria escura fuzzy funciona em escalas maiores que a das galáxias. Eles usaram os dados de Chandra para estimar a quantidade de matéria escura em cada cluster e como a densidade dessa matéria varia com a distância do centro do aglomerado de galáxias.
O gráfico mostra quatro dos 13 aglomerados de galáxias utilizados no estudo. Os clusters são, começando no canto superior esquerdo e indo no sentido horário, Abell 262, Abell 383, Abell 1413 e Abell 2390. Em cada uma dessas imagens, os dados de raios-X de Chandra são rosa, enquanto os dados ópticos são vermelho, verde e azul.
Como com os estudos de galáxias, o modelo mais simples de matéria escura fuzzy - onde todas as partículas têm a menor energia possível - não concordou com os dados. No entanto, eles descobriram que o modelo em que as partículas tinham diferentes quantidades de energia - os "estados excitados" - concordavam com os dados, de fato, o modelo de matéria escura fuzzy pode igualar as observações destes 13 aglomerados de galáxias tão bem ou Ainda melhor do que um modelo baseado na matéria escura fria.
Este resultado mostra que o modelo de matéria escura fuzzy pode ser uma alternativa viável à matéria escura fria, mas é necessário mais trabalho para testar esta possibilidade. Um efeito importante dos estados excitados é dar ondulações, ou oscilações, na densidade da matéria escura em função da distância do centro do aglomerado. Isto produziria ondulações na densidade da matéria normal. A magnitude esperada dessas ondulações é menor do que as incertezas atuais nos dados. Um estudo mais detalhado é necessário para testar esta previsão do modelo.
Um documento descrevendo esses resultados foi recentemente aceito para publicação no Monthly Notices da Royal Astronomical Society e está disponível on-line . Os autores são Tula Bernal (Instituto Politécnico Nacional, Cidade do México), Victor Robles (Universidade da Califórnia, Irvine) e Tonatiuh Matos (Instituto Politécnico Nacional).
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