Multimessenger search strategy for composite dark matter with white dwarf data and gravitational wave detectors

O universo é preenchido por uma substância misteriosa chamada matéria escura. Sabemos que ela está lá porque sua gravidade mantém as galáxias unidas e desvia a luz de estrelas distantes, mas ela não emite, absorve ou reflete nenhuma luz. Por décadas, cientistas têm procurado por ela ao buscar por partículas minúsculas e invisíveis que poderiam estar passando por nós a cada segundo. No entanto, apesar de décadas de esforço, ninguém encontrou sequer uma dessas partículas. Essa falta de descoberta levou alguns pesquisadores a considerar uma possibilidade diferente: que a matéria escura pode não ser feita de partículas minúsculas, mas sim de grandes aglomerados pesados. Esses aglomerados seriam objetos macroscópicos, talvez tão pequenos quanto um grão de areia ou tão grandes quanto uma montanha, formados da mesma "coisa escura" que compõe a massa invisível do cosmos. O problema de procurar por esses grandes aglomerados é que eles são muito raros. Como são pesados, existem muito menos deles flutuando por aí do que partículas minúsculas, tornando-os incrivelmente difíceis de capturar com detectores padrão na Terra.

Para resolver esse problema, uma equipe de pesquisadores da Universidade Sun Yat-sen, na China, propôs uma nova maneira de caçar esses grandes aglomerados de matéria escura. Em vez de esperar que eles atinjam um detector em um laboratório, eles sugerem ouvir as ondulações que eles poderiam causar no próprio espaço, enquanto também reexaminam a história de estrelas mortas. Os pesquisadores focaram em um tipo específico de matéria escura que é feita de objetos compostos, de forma semelhante a como os átomos são feitos de partículas menores, mas existindo em um setor oculto do universo. Esses objetos podem ser pesados o suficiente para terem sua própria gravidade e podem interagir com a matéria normal através de uma força que é ligeiramente mais forte que a gravidade. A equipe desenvolveu uma estratégia unificada que combina dois tipos de observações muito diferentes: as mortes violentas de estrelas e os instrumentos sensíveis projetados para ouvir as ondas gravitacionais de buracos negros colidindo.

A primeira parte de sua estratégia envolve observar anãs brancas, que são os núcleos densos e resfriados de estrelas como o nosso Sol após terem queimado seu combustível. Essas estrelas são incrivelmente densas e atuam como detectores massivos de longa exposição. Se um grande aglomerado de matéria escura voasse através de uma anã branca, ele colidiria com os átomos da estrela, transferindo energia conforme avança. Se o aglomerado for pesado o suficiente e se mover rápido o suficiente, essa transferência de energia poderia aquecer um pequeno ponto dentro da estrela a milhões de graus. Esse calor repentino poderia desencadear uma explosão nuclear descontrolada, transformando a anã branca em uma supernova. Os pesquisadores analisaram dados de milhares de anãs brancas para ver se alguma delas explodiu de uma forma que pudesse ser explicada por esse processo. Ao usar modelos mais precisos das estruturas internas das estrelas e um banco de dados de anãs brancas conhecidas maior do que nunca, eles calcularam exatamente quanta energia um aglomerado de matéria escura precisaria depositar para causar tal explosão. Eles descobriram que, se esses aglomerados existirem e interagirem com a matéria normal de uma forma específica, eles teriam desencadeado explosões em muitas das anãs brancas que já observamos. Como não vemos essas explosões acontecendo com tanta frequência quanto a teoria prevê, os pesquisadores foram capazes de descartar uma ampla gama de possibilidades para o que esses agelos de matéria escura poderiam ser, especificamente restringindo a força de sua interação com a matéria normal.

A segunda parte do estudo olha para o futuro, utilizando instrumentos espaciais projetados para detectar ondas gravitacionais. Esses detectores, como as missões planejadas LISA, TianQin e Taiji, consistem em satélites flutuando no espaço que medem mudanças minúsculas de distância entre eles com extrema precisão. Os pesquisadores perceberam que, se um pesado aglomerado de matéria escura voasse perto de um desses satélites, sua atração gravitacional puxaria as massas de teste dentro do instrumento. Esse puxão causaria um desvio minúsculo e detectável na velocidade do satélite, criando um sinal único nos dados. Diferente do método da anã branca, que busca a ausência de explosões, este método busca a presença de um "empurrão" gravitacional específico. A equipe calculou a sensibilidade desses futuros detectores e descobriu que eles poderiam detectar aglomerados de matéria escura com massas variando de um grama a dez trilhões de gramas, desde que os aglomerados interajam com a matéria normal com uma força significativamente mais forte que a gravidade. Esta abordagem abre uma nova janela para o universo, permitindo que cientistas investiguem regiões do cenário da matéria escura que são completamente invisíveis para os detectores de partículas tradicionais e até mesmo para o método da anã branca.

Os pesquisadores combinaram essas duas abordagens para criar uma poderosa estratégia de busca de múltiplos mensageiros. Eles descobriram que, para aglomerados de matéria escura com densidades internas mais baixas, as restrições das explosões de anãs brancas são tão rigorosas que quase não deixam espaço para que esses objetos existam. No entanto, para aglomerados com densidades muito altas, o método da anã branca perde seu poder, mas os detectores de ondas gravitacionais tornam-se a ferramenta perfeita. Neste regime de alta densidade, os detectores espaciais poderiam potencialmente identificar esses objetos e até medir suas propriedades com grande precisão. A equipe utilizou ferramentas estatísticas para mostrar que, se um sinal fosse detectado, esses instrumentos poderiam determinar a massa do aglomerado de matéria escura e a força de sua interação com a matéria normal com uma margem de erro de apenas alguns por cento. Isso significa que, se esses aglomerados pesados existirem e passarem perto de nossos futuros observatórios espaciais, não apenas saberemos que eles estão lá, mas seremos capazes de entender exatamente do que são feitos.

Ao unir o estudo das estrelas moribundas com o campo de ponta da astronomia de ondas gravitacionais, este trabalho oferece um plano abrangente para ou descobrir esses esquivos objetos macroscópicos de matéria escura ou descartá-los inteiramente. O estudo demonstra que o universo oferece múltiplas maneiras de testar nossas teorias e, ao usar a história violenta das estrelas junto com a precisão silenciosa dos interferômetros espaciais, podemos finalmente encurralar um dos mistérios mais persistentes da física. Os resultados sugerem que a próxima década de observação astronômica poderá fornecer a resposta definitiva sobre se a matéria escura é feita de partículas minúsculas ou de aglomerados invisíveis e massivos, aproximando-nos um passo de compreender a verdadeira natureza do cosmos.