Big Bang Escuro pode explicar origem da matéria escura

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/03/2023

A proposta essencialmente cria duas cosmologias, cada uma dando origem a uma "face" do Universo, que se conversam apenas por meio da força da gravidade.
[Imagem: The Institute of Statistical Mathematics/NAOJ]

Big Bang Escuro

E se o Universo tiver surgido não de um, mas de dois Big Bangs, um claro e outro escuro?

A teoria cosmológica padrão, a mais aceita hoje entre os cientistas, propõe que o Universo começou com uma grande explosão, chamada Big Bang, que, 13,7 bilhões de anos depois, resultou em 73% de energia escura, 23% de matéria escura e apenas 4% de átomos da matéria comum, aqueles de que tudo é feito, das galáxias e estrelas às bactérias e vírus.

Como todas as tentativas de detectar a matéria escura e a energia escura falharam, dois astrofísicos decidiram adicionar um novo ingrediente radical para as teorias: um Big Bang Escuro.

Basicamente seria uma segunda grande explosão, ocorrida até cerca de um mês depois do Big Bang tradicional, que teria dado origem a todo o setor escuro do Universo, esse que não conseguimos detectar.

E Katherine Freese (Universidade do Texas de Austin) e Martin Winkler (Universidade de Estocolmo), os dois proponentes da ideia, garantem que há meios de testar essa sua hipótese por meios observacionais.

"Enquanto a matéria escura escapa da detecção direta e indireta, o Big Bang Escuro dá origem a impressionantes assinaturas de ondas de gravidade a serem testadas em experimentos de matrizes de temporização de pulsares. Além disso, o Big Bang Escuro permite realizações de auto-interação e/ou matéria escura quente, o que sugere potenciais descobertas emocionantes em futuras observações de estruturas em pequena escala," escreveu a dupla.

A matriz de temporização de pulsar a que os pesquisadores se referem consiste na observação de um conjunto de pulsares em busca de correlações nos tempos de chegada de seus pulsos luminosos. Uma das muitas aplicações desta técnica envolve a detecção e análise de ondas gravitacionais.

Comparação entre os efeitos do Big Big tradicional, ou quente (esquerda), e do proposto Big Bang Escuro, ou frio (direita).
[Imagem: Freese & Winkler - 10.48550/arXiv.2302.11579]

Duas criações, uma clara e outra escura

O modelo cosmológico padrão é conhecido como Lambda-CDM, onde a letra grega lambda (λ) representa a constante cosmológica, o valor atual da aceleração da expansão do Universo, e CDM é a sigla em inglês para matéria escura fria, onde "fria" significa que se trata de uma matéria não-termalizada, que não emite radiação e não interage com nada - seus efeitos só são sentidos pela gravidade.

Nesse modelo, cerca de 20 minutos após Big Bang ocorreu um fenômeno chamado nucleossíntese, quando os primeiros prótons e nêutrons deram origem aos primeiros átomos da matéria comum, ou bariônica - nesse período foram essencialmente formados o hidrogênio e o hélio.

Mas esse modelo não possui um processo descritivo do surgimento da matéria escura e da energia escura. É um grande hiato, uma vez que, o que quer que sejam elas, ambas dominam amplamente o Universo atual (96% da massa), mas só as detectamos por seus efeitos gravitacionais.

A ideia dos dois físicos é desacoplar a origem dos setores "claro", a matéria comum, e "escuro", a matéria e a energia escuras.

"Não há nenhuma razão genuína para uma origem comum dos elementos visíveis e da matéria escura além da simplicidade. De fato, embora a presença de fótons e bárions em estágios muito iniciais esteja bem estabelecida pela bem-sucedida teoria da nucleossíntese primordial, não existem provas de matéria escura antes do momento em que as escalas observáveis entraram no horizonte (em temperaturas keV do Universo) e o impacto da matéria escura nas primeiras estruturas começou a se manifestar. Além disso - apesar de buscas experimentais excessivas ao longo de décadas - nenhuma interação não gravitacional direta entre matéria visível e matéria escura foi detectada," justificou a dupla.

Alguns cientistas defendem que o Big Bang é um dogma científico, enquanto outros propõem que ele também deu origem a um AntiUniverso, onde tudo funciona ao contrário.
[Imagem: Cortesia www.grandunificationtheory.com]

Big Bang Quente e Big Bang Escuro

Com esse desacoplamento entre as origens da matéria comum e da matéria escura, a dupla propõe que o Big Bang tradicional, que eles passam a chamar de Big Bang Quente, deu origem apenas à matéria comum e à radiação visível.

"No entanto, embora o setor escuro seja frio no início, ele contém uma pequena quantidade de energia de vácuo que inicialmente é altamente subdominante, com comparação com a densidade de radiação do Universo. Como a energia do vácuo não apresenta desvio para o vermelho, a contribuição do vácuo escuro pode se tornar significativa em um estágio posterior do Universo, embora nunca domine a densidade de energia do Universo. Quando o vácuo escuro finalmente decai em um transição de fase escura, ele pode induzir quantidades significativas de matéria escura e, possivelmente, radiação escura," propõe a dupla.

E essa transição de fase escura, envolvendo a colisão de bolhas de vácuo, deve ter gerado quantidades significativas de ondas gravitacionais, que poderiam ser detectadas em comprimentos de onda muito curtos, na faixa dos nano-Hertz ou menores.

Para que tudo possa resultar no Universo atual, os pesquisadores calculam que o Big Bang Escuro deve ter acontecido em uma estreita janela temporal, que vai logo após a ocorrência do Big Bang Quente até cerca de um mês depois, o que corresponderia a um desvio para o vermelho de z = 3 x 10⁶.

Embora existam inúmeras propostas para fechar os hiatos da nossa compreensão do Universo, incluindo muitas que tentam descartar de vez a ideia do Big Bang, esta tem o grande mérito de oferecer pelo menos duas técnicas para sua verificação experimental, envolvendo a detecção direta das ondas gravitacionais ou sua análise por meio das matrizes de temporização dos pulsares.

Mais tópicos