A Terra tornou-se num gigantesco detetor de matéria escura

Os físicos realizaram uma busca mundial por matéria escura. Literalmente: transformaram a própria Terra num detector gigante.

Mais estranho ainda, a experiência detetou dezenas de sinais candidatos compatíveis com as previsões de determinados tipos de partículas hipotéticas que poderiam constituir matéria escura.

Estes sinais continuam a precisar de confirmação, e há muitas outras explicações possíveis antes de se poder concluir que são partículas de matéria escura. Ainda assim, trata-se de uma experiência engenhosa, com novas pistas tentadoras sobre um dos mais desconcertantes enigmas da cosmologia.

Há muitas evidências de que o Universo contém mais do que aquilo que conseguimos observar. Os nossos modelos sobre a forma como a matéria visível se distribui e se move pelo cosmos não coincidem inteiramente com a sua distribuição e movimento reais.

Os físicos suspeitam que existe todo um domínio de matéria invisível, cuja massa se junta à da matéria que vemos e produz os efeitos gravitacionais observados. Como não reflete nem emite luz, os cientistas deram-lhe o nome evocativo de «matéria escura».

Contudo, identificar uma lacuna nos modelos e preenchê-la são coisas muito diferentes. Neste caso, existe uma vasta variedade de possíveis explicações, com características distintas.

Axións e a procura de matéria escura

Um dos candidatos mais promissores é conhecido como axião. Estas partículas foram inicialmente propostas na década de 1970 para resolver outro problema da física de partículas, mas os físicos depressa perceberam que, se existirem dentro de um determinado intervalo de massa, também poderão preencher a lacuna da matéria escura.

Ao contrário de muitos outros candidatos a matéria escura, prevê-se que os axións interajam com a força eletromagnética - e isso poderá ser precisamente o que os denuncia.

De acordo com os modelos, os axións deverão por vezes decair em fotões na presença de campos magnéticos intensos. Por isso, os astrónomos têm procurado no cosmos sinais característicos nas proximidades de estrelas de neutrões ou de supernovas.

Porém, uma série de artigos recentes de físicos no Japão sugere que talvez possamos procurar muito mais perto de casa.

«Perguntámo-nos se poderíamos utilizar a própria Terra como um detetor gigante na procura», afirma o físico teórico Atsushi Taruya, autor dos quatro artigos.

«A cavidade Terra-ionosfera funciona como um ressoador natural que amplifica as ondas eletromagnéticas precisamente no intervalo de massa que pretendíamos investigar.»

Para o verificar, os investigadores analisaram dados do campo magnético terrestre recolhidos pelo British Geological Survey entre 2012 e 2022. A equipa levantou a hipótese de que, se os axións estiverem de facto a passar por cima e através do planeta, deverão ressoar entre a superfície terrestre e a ionosfera, gerando ondas eletromagnéticas numa frequência correspondente à massa das partículas.

Como décadas de estudos anteriores já tinham limitado de forma bastante rigorosa as massas possíveis dos axións, os investigadores procuraram sinais nesse intervalo estreito ao longo destes dez anos de dados.

Depois de terem considerado o ruído de fundo, a equipa encontrou 65 candidatos a sinais de axións. Mesmo após apertarem os filtros estatísticos, restaram 25 candidatos.

Fotões escuros nos dados do campo magnético da Terra

Mas os axións não são o único candidato a matéria escura que esta técnica poderá detetar. Outro concorrente é o fotão escuro, que se supõe ser um portador de força no domínio sombrio para lá do Modelo Padrão.

Ao contrário dos fotões comuns que conhecemos, os fotões escuros poderão ter massa e interagir com campos magnéticos de forma semelhante aos axións.

Num estudo de seguimento, a equipa aplicou um método parecido para procurar sinais de fotões escuros nos mesmos dados.

Mais uma vez, os investigadores comunicaram sinais candidatos: até 342 com os critérios menos restritivos, um número que desceu para 31 quando foi aplicada uma relação sinal-ruído mais exigente.

O problema, contudo, é que, com os dados atuais, este método não consegue distinguir sinais de fotões escuros de sinais de axións. Uma das principais diferenças é que os axións dependem do campo magnético da Terra para produzir o seu sinal, enquanto os fotões escuros produziriam o seu com ou sem esse campo.

Como distinguir axións de fotões escuros

Isto abre uma via para testar qual das formas de matéria escura - se alguma - está atualmente a atravessar a Terra. Se o sinal tiver exatamente o mesmo aspeto em qualquer ponto do planeta, apontará para fotões escuros.

Por outro lado, se a intensidade do sinal variar conforme a localização, será mais provável que se trate de axións. Isto acontece porque a força do campo magnético terrestre muda de lugar para lugar. Segundo os investigadores, o sinal dos axións deverá, por isso, enfraquecer perto dos polos do planeta e ser mais forte na região do Sudeste Asiático.

Infelizmente, os dados foram recolhidos num único observatório no Reino Unido, pelo que a equipa não consegue obter essa perspetiva global. No entanto, estudos futuros realizados por outras experiências poderão ajudar a esclarecer melhor a matéria escura.

Os três artigos sobre axións foram publicados na revista Progress of Theoretical and Experimental Physics, enquanto o estudo sobre o fotão escuro foi publicado na Physical Review D.

Este artigo foi verificado por Fiona MacDonald e editado por Fiona MacDonald. Embora nos orgulhemos do nosso processo, somos apenas humanos. Se detetar um erro, informe-nos, por favor.