Cientistas brasileiros criam modelo cosmológico que unifica matéria escura, energia escura e inflação cósmica

Créditos: Mike Zeng.

Hoje, a cosmologia demanda grande parte de seus esforços em tentar entender o que seria a matéria escura e a energia escura, pois muito pouco se conhece sobre essas duas quantidades. Além disso, alguns outros problemas do modelo padrão da cosmologia moderna só podem ser resolvidos no âmbito de um universo que passou por uma abrupta expansão cósmica logo após o Big Bang.

A natureza da matéria escura, a qual recebe esse nome por interagir apenas gravitacionalmente, e da energia escura, responsável por impulsionar a expansão acelerada do universo hoje, são desconhecidas, da mesma forma que o agente responsável pela inflação cósmica inicial também é desconhecido.

Nesse contexto, pesquisadores da Unesp e do Instituto de Educação, Ciência e Tecnologia do Paraná construíram um modelo cosmológico utilizando um campo físico chamado de “espinor com dimensão de massa um”, o qual é uma partícula exótica que não possui interação com a luz. Em um trabalho publicado no Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, principal periódico internacional de cosmologia e astrofísica, os pesquisadores mostraram que esse campo é capaz de realizar a inflação cósmica, depois se transformar em matéria escura e ainda dar origem a energia escura, tudo isso feito de maneira natural.

De acordo com Thiago Guimarães, um dos autores, “O campo MDO, embora seja um férmion, cosmologicamente pode atuar como um campo escalar efetivo, o que nos permite obter um modelo mais rico tanto do ponto de vista matemático quanto do ponto de vista físico, isso nos fez olhar com mais cuidado para esse campo e para como ele poderia atuar em diferentes fases do Universo”.

O modelo proposto pelos pesquisadores, tem se mostrado promissor, pois consegue descrever todas as fases do universo após o Big Bang e ainda oferece uma explicação física para a ocorrência da inflação cósmica. “Nos modelos tradicionais em que um campo escalar é o agente responsável pela inflação, não conseguimos encontrar uma motivação física para esse processo, o campo escalar simplesmente realiza a inflação. Já no modelo em que um campo fermiônico realiza a inflação, o universo é obrigado a expandir de tamanho muito rapidamente para acomodar as partículas desse campo em estados de energia muito próximo do valor mínimo, respeitando o princípio de exclusão de Pauli”, afirma Guimarães.

As simulações numéricas mostraram que campo MDO atuando cosmologicamente é capaz de levar à densidade correta de matéria observada nos dias de hoje, além de que a expansão do Universo feita por algum tipo de energia escura está em perfeito acordo com os dados observacionais de supernova do tipo 1A. “Nosso modelo consegue guiar a dinâmica do Universo durante a inflação cósmica exatamente como um bom candidato a inflaton [partícula que realiza a inflação], logo após esse período o campo MDO atinge o vácuo do potencial cosmológico ao qual respeita, então passa por um rápido período conhecido como Big Bang Frio e começa a oscilar rapidamente, nesse período o Universo reaquece e nosso campo decai nas demais partículas do modelo padrão, essa parte da história cósmica se chama era da radiação. Uma vez que esse decaimento do campo é incompleto, o que sobra do MDO surge diretamente acoplado com a matéria bariônica após o fim do período da radiação, dando início a era de domínio da matéria escura. Por último, a energia escura nasce naturalmente como energia de vácuo vinda de um termo constante do potencial cosmológico. Assim mostramos que um único campo físico pode ser capaz de guiar toda a história do Universo como conhecemos”, afirmam os pesquisadores

No presente momento, os autores estão construindo uma teoria de perturbação efetiva, a qual é necessária para conectar o modelo teórico com as perturbações que existem na radiação cósmica de fundo em micro-ondas, que permeia todo o Universo. Guimarães afirma que “(…) em uma primeira análise, nosso modelo parece reproduzir as perturbações cosmológicas necessárias para descrever as inomogeneidades da radiação cósmica de fundo observadas hoje, porém um estudo muito mais cuidadoso deve ser feito devido as características matemáticas dos campos espinoriais. Por agora podemos dizer que nosso modelo parece funcionar muito bem (…)”.

Para que o modelo possa ser provado como verdadeiro é necessário ainda que essa partícula seja encontrada em aceleradores de partículas, como o LHC, por exemplo, e possua as características previstas. Assim, apenas o tempo confirmará o sucesso do modelo que no momento se mostra muito promissor.

Aos interessados no assunto, um dos autores fez uma publicação descrevendo detalhadamente a pesquisa em seu blog pessoal.

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