Formação devido à matéria escura quente

Matéria escura quente (hot dark matter, ou HDM, na sigla em inglês) é formada por partículas elementares ou objetos  com massa zero ou próxima de zero, o que faz com que se movam com velocidades relativísticas, ou seja, são suficientemente rápidas para não permitir que a ação gravitacional as agrupe. Como conseqüência, isto dificulta a formação de estruturas de pequena escala, favorecendo a formação de grande escala (o que não corresponde ao universo que observamos). Os neutrinos que interagem muito fracamente são muito leves, existem em grande número no universo, e desse modo se apresentam como os principais candidatos do modelo HDM para a matéria escura.

A velocidade dessas partículas é crucial para o modelo cosmológico do Big Bang. Um problema que esse modelo apresenta é a ordem de formação de grandes estruturas do Universo. Se o Universo primordial fosse composto de matéria escura quente, inicialmente ela iria impedir a formação de uma estrutura menor do que um superaglomerado de galáxias.

A matéria escura quente pode, até certo ponto, ser responsável por essas superestruturas, mas não podem explicar a formação das estruturas em uma escala menor, como as galáxias. Este cenário prevê que as superestruturas se dividam em aglomerados de galáxias, que mais tarde se fragmentam em galáxias e estes, posteriormanete em estruturas menores. É o cenário conhecido como "Top-Down", uma vez que as maiores estruturas são formadas inicialmente, para, em seguida se dividirem em estruturas menores.

Figura 4 - Num cenário de formação de estrutura Top-Down, formam-se primeiro grandes "panquecas" de matéria que posteriormente se fragmentam em protuberâncias do tamanho de galáxias.

Crédito da figura: http://cftc.cii.fc.ul.pt/PRISMA/capitulos/capitulo1/modulo4/topico4.php

O principal problema com a teoria de HDM é que, as altas velocidades das partículas (como os neutrinos) no início do universo não poderiam ter permitido que pequenas flutuações de densidade se acumulassem, a fim de criar as estruturas que atualmente observamos.

Acreditamos que a matéria escura está distribuída por todo o universo, devido ao crescimento de pequenas flutuações iniciais. Como os neutrinos estariam se movendo tão rápidos, de forma que estas pequenas flutuações iniciais teriam sido suavizadas. A teoria HDM não pode explicar a distribuição das galáxias no universo em pequena escala, necessária para essa agregação inicial. Esse fato indica que é impossível que apenas os neutrinos pudessem produzir o universo que observamos. Na década de 1980 , Marc Davis, Simon White e Carlos Frenk, da Universidade da California em Berkeley,  mostraram através de simulações computacionais que o modelo da matéria escura quente não poderia produzir o universo que observamos. Posteriormente, com os dados observacionais dos satélites COBE e WMAP, a comunidade científica abandonou o modelo em que a matéria escura seja exclusivamente quente.

Figura 5 – Simulação computacional com neutrino como partícula de matéria escura. Pode-se notar que a formação de teia de aranha (característica observável do universo) aparece suavizada devido às altas velocidades dessas partículas.

Crédito da Figura: http://www.vlasix.org/index.php?n=Main.ColDICE

No entanto, o modelo HDM não foi conpletamente abandonado. Atualmente, ele é utilizado combinado com o modelo da matéria escura fria, produzindo o modelo conhecido como “matéria escura morna.”

Figura 6 – Simulação computacional da distribuição da matéria em grande escala no Universo com a matéria escura fria (à esquerda) e matéria escura morna (à direita). Os movimentos de fluxo contínuo de matéria escura quente suprime a formação da estrutura em pequenas escalas.

Crédito da Figura: http://www.kicc.cam.ac.uk/news/kavli-scientists-set-strictest-limits-yet-warm-dark-matter

Figura 7 - Estas duas figuras mostram estruturas Intergalácticas com grande redshift. Temos a matéria escura fria (à esquerda) e a matéria escura morna (à direita). O tamanho da região simulada corresponde a 3,3 milhões de ano-luz. Os modelos com matéria escura morna  mostram como as estruturas são mais difusas. 

Crédito: Matteo Viel

Disponível em: http://phys.org/news/2006-09-sterile-neutrinos-dark.html

Apesar do aparente sucesso do modelo da matéria fria em descrever o Universo, alguns problemas nas simulações computacionais parecem indicar que o modelo da matéria escura morna oferece uma descrição mais aproximada do Universo que observamos. Evidentemente, esse debate está longe de terminar. O que podemos fazer por enquanto é olhar para o Universo e ver se ele é parecido com a simulação da matéria escura fria ou com a da matéria escura morna.