Uma nova pesquisa, na qual os dados empíricos não bateram com os cálculos teóricos, mostra que os físicos ainda têm muito a descobrir sobre a matéria escura.

Uma diferença entre dados astronômicos e simulações de computador deixou uma equipe de cientistas coçando a cabeça diante de mais um caso frustrante em que a realidade não combina com a teoria.

Os cientistas, liderados por Priyamvada Natarajan, astrofísica de Yale, fizeram medições de vários aglomerados de galáxias para investigar a presença de matéria escura. Irritantemente, esses dados não bateram, quando comparados a modelos teóricos de computador. Escrevendo em seu estudo da Science subsequente, os autores “sugerem que problemas sistemáticos com simulações ou suposições incorretas sobre as propriedades da matéria escura podem explicar nossos resultados”.

Em outras palavras, é hora de voltar para os cálculos.

Existem muito mais coisas no universo do que podemos ver, como evidenciado pela maneira como objetos distantes interagem uns com os outros. Essa coisa que está faltando é chamada de matéria escura e, apesar de constituir a grande maioria da matéria no universo, ela não emite, absorve ou reflete luz. Mas é uma coisa muito importante apesar de ser tão indescritível, pois une estrelas dentro de galáxias, enquanto encadeia galáxias para formar aglomerados.

E, de fato, aglomerados de galáxias, nos quais milhares de galáxias estão enclausuradas, servem como laboratórios distantes para estudar a matéria escura. Os aglomerados de galáxias são repositórios massivos de matéria escura devido à sua tremenda influência gravitacional. Bolhas do material na forma de halos de matéria escura podem ser detectados indiretamente vagando por aglomerados de galáxias, bem como galáxias individuais estacionadas dentro deles.

Claro, os astrônomos não podem realmente ver esses halos de matéria escura, mas podem ver a maneira como essas bolhas invisíveis podem dobrar a luz. Este fenômeno, conhecido como lente gravitacional, distorce e reposiciona objetos de fundo de nossa linha de visão. As lentes gravitacionais são muito legais porque permitem que os astrônomos vejam, por exemplo, uma galáxia que estaria oculta por outra mais próxima a ela. É importante ressaltar que quanto mais matéria escura estiver ao redor, maior será o efeito de lente observado.

Para o novo estudo, Natarajan e seus colegas analisaram imagens de 11 aglomerados de galáxias massivas obtidas pelo Telescópio Espacial Hubble, que foram complementadas por medições espectrográficas coletadas pelo Very Large Telescope (VLT) do Observatório Europeu do Sul. Os dados do Hubble, em luz visível e infravermelha, foram obtidos em 2011 pela Advanced Camera for Survey e pela Wide Field Camera 3 do telescópio.

Imagem do Hubble do aglomerado de lentes MACS J1206. A imagem inserida mostra a distribuição espacial da matéria escura, com as pontas indicando galáxias individuais. Imagem: NASA, ESA, G. Caminha (Universidade de Groningen), M. Meneghetti (Observatório de Astrofísica e Ciências Espaciais de Bolonha), P. Natarajan (Universidade de Yale) e equipe CLASHImagem do Hubble do aglomerado de lentes MACS J1206. A imagem inserida mostra a distribuição espacial da matéria escura, com as pontas indicando galáxias individuais.
Imagem: NASA, ESA, G. Caminha (Universidade de Groningen), M. Meneghetti (Observatório de Astrofísica e Ciências Espaciais de Bolonha), P. Natarajan (Universidade de Yale) e equipe CLASH

Dados do Hubble e do VLT permitiram aos pesquisadores visualizar a matéria escura. Os mapas 3D, com suas colinas, vales e estalagmites exagerados, mostravam a distribuição espacial dos halos. As estalagmites, ou regiões com picos, mostraram a localização de halos de matéria escura, ou subhalos neste caso, associados a galáxias individuais localizadas dentro de um aglomerado.

A equipe então pegou esses dados de alta fidelidade e os comparou a simulações de computador de clusters com massas semelhantes e em distâncias comparáveis baseadas nas teorias. Os modelos não correspondem aos dados astronômicos; os autores detectaram lentes menores nas imagens do Hubble em comparação com as produzidas pelas simulações.

“Há uma característica do universo real que simplesmente não estamos capturando em nossos modelos teóricos atuais”, explicou Natarajan em um comunicado divulgado pela Yale. “Isso pode sinalizar uma lacuna em nossa compreensão atual da natureza da matéria escura e suas propriedades, já que esses dados requintados nos permitiram sondar a distribuição detalhada da matéria escura nas menores escalas.”

Bob Jacobsen, um físico de UC Berkeley que não estava envolvido na nova pesquisa, disse que os dois mapas — um produzido pelos dados do Hubble e o outro pelas teorias atuais da matéria escura — parecem estar em conflito. Curiosamente, ele disse que a construção de ambos os mapas é “fortemente dependente” de cálculos e simulações.

“Isso adicionará uma pressão importante para melhorar e compreender esses modelos computacionais e simulações”, explicou Jacobsen por e-mail. “Medições sólidas tendem a fazer isso. Mas ainda não sabemos se isso está nos dizendo algo sobre nossos cálculos e simulações, ou se está nos dizendo algo fundamental sobre a matéria escura.”

Outro pesquisador enfatizou a complexidade dessa ciência cósmica.

“Faltam muitas peças no que sabemos hoje sobre a matéria escura”, disse Esra Bulbul, astrofísica do Instituto Max Planck de Física Extraterrestre que não participou deste novo estudo. “Comparar simulações de última geração e testar os modelos atuais de matéria escura com dados de alta qualidade, conforme apresentado neste trabalho, nos deixa um passo mais perto de resolver esse complicado quebra-cabeça.”

É um resultado frustrante, com certeza, mas ainda é um resultado. E, como Jacobsen sugeriu, temos que ficar mais espertos com a coisa toda. Resolver o mistério da matéria escura exigirá mais observações do espaço profundo e algum processamento numérico eficaz. Só precisamos saber quais números calcular.