Desde que iniciou as suas operações em 2022, o Telescópio Espacial James Webb (JWST) permitiu aos cientistas fazer avanços incríveis na nossa compreensão do cosmos – especialmente na sua época inicial. No entanto, um mistério cosmológico persistente sobre o qual o JWST não teve grande impacto é a natureza da matéria escura. Agora, novas pesquisas sugerem que isso é algo que pode mudar em breve.
Embora se estima que a matéria escura represente 85% da matéria do universo, é difícil de investigar porque não interage com a radiação eletromagnética (luz) ou interage tão fracamente que não podemos detectá-la diretamente. Assim como fazer matéria escura efetivamente invisível, esta falta de interação com a luz diz aos cientistas que as partículas que constituem a matéria escura não são as prótons, nêutrons, e elétrons que compreendem as coisas cotidianas que vemos ao nosso redor diariamente, desde as estrelas mais massivas até os vírus que tornam nossas vidas miseráveis a cada inverno. A busca por uma potencial partícula de matéria escura gerou muitos suspeitos, mas todos permaneceram frustrantemente hipotéticos.
Estudando essas galáxias alongadas com o JWST pode ajudar a revelar a presença de matéria escura, dizem os cientistas. “No universo em expansão definido pela teoria da relatividade geralas galáxias crescem ao longo do tempo a partir de pequenos aglomerados de matéria escura que formam os primeiros aglomerados estelares e se agrupam em galáxias maiores através da sua gravidade colectiva”, disse Rogier Windhorst, membro da equipa, da Universidade Estatal do Arizona, num comunicado.
“Mas agora o JWST sugere que as primeiras galáxias podem estar incorporadas em estruturas filamentares marcadas, que – ao contrário da matéria escura e fria – unem suavemente as regiões de formação estelar, mais semelhante ao que seria esperado se a matéria escura fosse uma partícula ultraleve que também mostra comportamento quântico.”
Compreender a matéria escura é um exagero
Ao usar simulações para recriar como as primeiras galáxias se formaram no universo primitivo, permitir que o gás frio se reunisse ao longo dos fios de uma teia de matéria escura é capaz de recriar muito bem as galáxias em sua maioria esferóides que vemos no universo moderno.
No entanto, à medida que o JWST tem permitido aos astrónomos olhar para trás, para galáxias que existiram nas fases iniciais do Universo, têm cada vez mais encontrado galáxias filamentares alongadas que não são tão facilmente recriadas em simulações que seguem o mecanismo padrão de recolha de gás para dar origem a estrelas e fazer crescer galáxias.
Para investigar isto, Windhorst e colegas analisaram simulações do universo envolvendo diferentes tipos de matéria escura além daquela encontrada no modelo mais aceito da cosmologia, o modelo Lambda Cold Dark Matter (LCDM); matéria escura “fria”, que não se refere à temperatura, mas sim à velocidade com que as partículas se movem.
Isto revelou que o comportamento ondulatório da “matéria escura difusa” ou das partículas axion ultraleves poderia explicar a morfologia alongada das primeiras galáxias observadas pelo JWST.
“Se partículas axion ultraleves constituem a matéria escura, seu comportamento semelhante a uma onda quântica impediria a formação de escalas físicas menores que alguns anos-luz por um tempo, contribuindo para o comportamento filamentar suave que o JWST agora vê em distâncias muito grandes”, disse o líder da equipe, Álvaro Pozo, do Centro Internacional de Física de Donostia.
A modelagem da equipe também indicou que partículas de “matéria escura quente” que se movem mais rapidamente, como os neutrinos estéreis, também poderiam dar origem às primeiras galáxias filamentares. Tanto no cenário de matéria escura ondulatória quanto de matéria escura quente, isso ocorre porque essas partículas dão origem a filamentos mais suaves do que a matéria escura fria. À medida que o gás e as estrelas fluem lentamente por esses filamentos, galáxias alongadas começam a se formar.
O JWST continuará a investigar galáxias de formatos estranhos no universo primitivo, enquanto os pesquisadores aqui na Terra continuam a desenvolver simulações do universo primitivo. Reunir tudo isso poderia eventualmente ajudar a resolver o mistério da matéria escura.
A pesquisa da equipe foi publicada em 8 de dezembro na revista Astronomia da Natureza.
